JP2005241768A - Optical waveguide module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信システムにおいて用いられる光導波路モジュールに関し、特に光導波路と、他の光導波路、及び光ファイバ等の光素子との光結合部を有し、光結合する光強度を可変光減衰する光導波路モジュールに関する。 The present invention relates to an optical waveguide module used in an optical communication system, and in particular, has an optical coupling portion between an optical waveguide, another optical waveguide, and an optical element such as an optical fiber, and the optical intensity of optical coupling is variable optical attenuation. The present invention relates to an optical waveguide module.
従来から、光導波路を用いる光通信システムにおいて信号強度を適切な値に調整するため可変制御できる光減衰器が用いられている。光を減衰させるため、光ファイバや光導波路に対して機械的に光軸を変化させる機構を設けた方式や、磁気光学効果、電気光学効果、熱光学効果など各種光学効果を導波路に作用させる方式を用いた光減衰器が提案されている。機械的な構造による減衰方式は、減衰させるための機構が複雑になり組立や調整に関わるコストが高く、結果的に高価なモジュールとなっている。導波路に各種光学効果を作用させる減衰方式は、機械的な方式によるよりも構造が単純であるため低コスト化、高生産性が期待できる。しかし、磁気光学効果,電気光学効果による方式では偏波方向・温度・波長などの依存特性があるため複雑な導波路パターンが必要で、比較的大きなモジュールが必要となる。 Conventionally, in an optical communication system using an optical waveguide, an optical attenuator that can be variably controlled is used to adjust the signal intensity to an appropriate value. In order to attenuate light, various optical effects such as a method of mechanically changing the optical axis with respect to an optical fiber or an optical waveguide, or a magneto-optic effect, an electro-optic effect, a thermo-optic effect, etc. are applied to the waveguide. An optical attenuator using the method has been proposed. The damping method using a mechanical structure has a complicated mechanism for damping, and the cost for assembly and adjustment is high, resulting in an expensive module. The attenuation method that causes various optical effects to act on the waveguide has a simpler structure than the mechanical method, and therefore can be expected to reduce cost and increase productivity. However, the method using the magneto-optic effect and the electro-optic effect has dependency characteristics such as the polarization direction, temperature, and wavelength, so that a complicated waveguide pattern is required and a relatively large module is required.
そこで、熱光学効果による方式が注目されている。例えば、図15(a)に示すように、コア101及びクラッド102からなる光導波路の上部にヒータ104、及び下部に放熱基板103を配置し、電極140を介してヒータ104に通電し、ヒータ104と放熱基板103との間に生ずる温度勾配及び光導波路部材における熱光学効果によりクラッド102の一部に周囲よりも屈折率の高い熱誘起コア部を生じさせ、光導波路のコア101の導波モードを熱誘起コア部の放射モードに光結合させることにより光導波路のコア101中の導波光を減衰させる可変光減衰器が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上述した図15(a)や特許文献1に示されるような光減衰器の構成においては、以下に示すような不具合がある。まず、上述の光減衰器の動作を説明する。上述の図15(a)に示した光減衰器の動作状態において、コア101及びヒータ104を通る断面における温度分布と光導波の様子は、図15(b)に示すようになっている。温度分布は等温線aで示されるようにヒータ104の中心から略左右対称である。この温度分布に対応してコア101及びクラッド102の屈折率は、右方からは左方に向かうにつれて徐々に変化し、ヒータ104の中央部直下で最大変化となり、ここを通過すると変化が徐々にゼロに戻っていく。光導波路部材として熱光学定数が負の材料を用いた場合、ヒータ104近くの屈折率が大きく下がり、放熱基板103側の屈折率はあまり下がらない。そこで、放熱基板103側のクラッド102部分に熱誘起コアが出現して、コア101を導波する光はヒータ104近傍で放熱基板103側へと偏向される。
However, the configuration of the optical attenuator as shown in FIG. 15A and
そこで、コア101の中を右方から左方のヒータ104の方向に進む光p1の一部は、徐々に変化する屈折率の変化に伴い、光p2,p3のようにコア101から離れるように進み、その光の一部は光p5のように放熱基板103に向かって進んで放熱基板103に吸収される。しかし、光p4のようにコア101に復帰するものがあり、ヒータ104による加熱部分を通過する光は、光p1から一部減衰した光p6となる。導波光の放射モードとの結合は屈折率の変化に従って徐々に進行するので、所望の光減衰を得るには所定の長さ以上の導波路が必要となる。光減衰性能が導波路パターンのサイズに依存するので光導波路モジュールの小型化が制限される。
Therefore, a part of the light p1 traveling in the direction from the right to the
また、導波する光が放熱基板103に向かって吸収され、一方向にのみ徐々に減衰していくので,光減衰量が大きくなるほど光減衰に対する偏波依存性が顕著となり,安定した光減衰特性が得られにくい。また、光減衰器を通過した光に偏波依存性が発生するので、光品質が劣化することになる。上述の光減衰器の構成において、減衰特性を改善するため、光導波路の一部に多モードを発生させるコア部を設けたり,加熱部や減衰部を多段の構成にする方法の提案もあるが、いずれもモジュールの大型化の要因となる。
In addition, since the guided light is absorbed toward the
本発明は、上記課題を解消するものであって、小型で容易に製作でき、高精度かつ効率的な光減衰制御を行うことができる光導波路モジュールを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical waveguide module that solves the above-described problems and that can be easily manufactured in a small size and that can perform highly accurate and efficient optical attenuation control.
上記課題を達成するために、請求項1の発明は、熱光学材料よりなる第1のコア部及び第1のクラッド部を有した第1の光導波路ブロックと、熱光学材料よりなる第2のコア部及び第2のクラッド部を有し、前記第1の光導波路ブロックに光結合するように接合された第2の光導波路ブロックとを備えた光導波路モジュールにおいて、前記第2のコア部及び第2のクラッド部は、前記第1のコア部及び第1のクラッド部の材料とは異なる熱光学定数を有する熱光学材料より成り、前記第2の光導波路ブロックは、第2のクラッド部の表面で、かつ前記第1の光導波路ブロックとの接合部近傍に配されたヒータ部を備えているものである。 In order to achieve the above object, a first optical waveguide block having a first core portion and a first cladding portion made of a thermo-optic material, and a second optical waveguide block made of a thermo-optic material. An optical waveguide module comprising a second optical waveguide block having a core portion and a second cladding portion and joined to be optically coupled to the first optical waveguide block, wherein the second core portion and The second clad portion is made of a thermo-optic material having a thermo-optic constant different from the materials of the first core portion and the first clad portion, and the second optical waveguide block is made of the second clad portion. A heater portion is provided on the surface and in the vicinity of the joint portion with the first optical waveguide block.
請求項2の発明は、請求項1に記載の光導波路モジュールにおいて、前記第2のコア部及び第2のクラッド部の熱光学定数の絶対値が、前記第1のコア部及び第1のクラッド部の熱光学定数の絶対値よりも大きいものである。 According to a second aspect of the present invention, in the optical waveguide module according to the first aspect, an absolute value of a thermo-optic constant of the second core portion and the second cladding portion is the first core portion and the first cladding. It is larger than the absolute value of the thermo-optic constant of the part.
請求項3の発明は、請求項1に記載の光導波路モジュールにおいて、前記ヒータ部は、前記第2の光導波路ブロックの前記第1の光導波路ブロックとの接合部側の端部に配置するものである。 According to a third aspect of the present invention, in the optical waveguide module according to the first aspect, the heater portion is disposed at an end portion of the second optical waveguide block on the side of the joint portion with the first optical waveguide block. It is.
請求項4の発明は、請求項1に記載の光導波路モジュールにおいて、前記第2のコア部及び第2のクラッド部の熱光学定数は、前記第1のコア部及び第1のクラッド部の熱光学定数と正負の符号が異なるものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical waveguide module according to the first aspect, the thermo-optic constants of the second core portion and the second cladding portion are the heat of the first core portion and the first cladding portion. The optical constants and the signs of the positive and negative are different.
請求項5の発明は、請求項1に記載の光導波路モジュールにおいて、前記第1の光導波路ブロックと第2の光導波路ブロックとの接合部は、前記第1のコア部及び第2のコア部の光軸に垂直な面に対して5゜〜10゜の傾斜を有する面で構成されているものである。 According to a fifth aspect of the present invention, in the optical waveguide module according to the first aspect, the junction between the first optical waveguide block and the second optical waveguide block is the first core portion and the second core portion. It is constituted by a surface having an inclination of 5 ° to 10 ° with respect to a surface perpendicular to the optical axis.
請求項6の発明は、請求項1に記載の光導波路モジュールにおいて、前記ヒータ部は、前記第1の光導波路ブロックと前記第2の光導波路ブロックとの接合部に近いほど発熱量が増大するように形成されているものである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the optical waveguide module according to the first aspect, the amount of heat generation increases as the heater portion is closer to a joint portion between the first optical waveguide block and the second optical waveguide block. It is formed as follows.
請求項7の発明は、請求項1に記載の光導波路モジュールにおいて、前記第1のコア部の近傍に高屈折率層を設けるものである。 According to a seventh aspect of the present invention, in the optical waveguide module according to the first aspect, a high refractive index layer is provided in the vicinity of the first core portion.
請求項8の発明は、請求項1に記載の光導波路モジュールにおいて、前記第1の光導波路ブロックと、熱光学材料よりなる第3のコア部及び第3のクラッド部を備えた第3の導波路ブロックと、が基板上に一体的に形成され、前記形成された第1及び第3の光導波路ブロックはコア部及びクラッド部を除去した切り抜き部分を備えており、前記切り抜き部分に前記第2の光導波路ブロックが埋め込まれ、これらの第1、第2、及び第3の光導波路ブロックが互いに光結合されているものである。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the optical waveguide module according to the first aspect, wherein the optical waveguide module includes a first optical waveguide block, a third core portion made of a thermo-optic material, and a third cladding portion. A waveguide block is integrally formed on the substrate, and the formed first and third optical waveguide blocks include a cut-out portion from which the core portion and the clad portion are removed, and the second cut-out portion includes the second block. These optical waveguide blocks are embedded, and these first, second, and third optical waveguide blocks are optically coupled to each other.
請求項9の発明は、請求項1に記載の光導波路モジュールにおいて、前記両ブロックの接合部において、前記ヒータ部を有する第2の光導波路ブロックから前記第1の光導波路ブロックに向けて光が導波されるものである。 According to a ninth aspect of the present invention, in the optical waveguide module according to the first aspect, light is emitted from the second optical waveguide block having the heater portion toward the first optical waveguide block at the joint portion of the both blocks. It is guided.
請求項1の発明によれば、ヒータ加熱により第1の導波路ブロックと第2の導波路ブロックとの接合部における屈折率分布を不連続にでき、そのため接合部における反射により光減衰を生じさせることができるので、少ない加熱量で大きな光減衰量を効率良く得ることができる。接合部付近の微小領域のみで光減衰効果が得られるので、可変光減衰機能を備えた光導波路モジュールを小型化できる。このような光減衰効果が得られる接合部に光学部品(導波路,光ファイバなど)を隣接させ、その光学部品との光結合状態を接合部における屈折率変化を用いて制御し、光出力を減衰させることにより、簡易な製作により小型かつ高精度に可変光減衰機能を形成して実装した光導波路モジュールが得られる。 According to the first aspect of the present invention, the refractive index distribution at the junction between the first waveguide block and the second waveguide block can be made discontinuous by heating the heater, and thus light attenuation is caused by reflection at the junction. Therefore, a large amount of light attenuation can be efficiently obtained with a small amount of heating. Since an optical attenuation effect can be obtained only in a minute region near the junction, an optical waveguide module having a variable optical attenuation function can be reduced in size. An optical component (waveguide, optical fiber, etc.) is placed adjacent to a joint where such a light attenuation effect can be obtained, and the optical coupling state with the optical component is controlled using the refractive index change at the joint, so that the light output is controlled. By attenuating, it is possible to obtain an optical waveguide module that is mounted by forming a variable optical attenuation function with small size and high accuracy by simple manufacture.
請求項2の発明によれば、熱光学定数の絶対値がより大きく、熱光学効果に対する熱的感度の優れている第2の導波路ブロックにヒータを設けるので、屈折率制御を容易に行うことができ、接合部における屈折率の大きな変化(接合部における屈折率分布のより大きな不連続性)が容易に得られ、高効率な光減衰制御ができる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、互いに異なる熱光学定数を有する熱光学材料より成る第1の導波路ブロックと第2の導波路ブロックの接合部にヒータ部を配置するので、不連続な屈折率分布を少ない加熱量で形成して効率的な光減衰制御ができる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、加熱時に接合部での屈折率差をより大きくできるので、両ブロックにおける熱光学定数の正負の符号が同じ場合より優れた光減衰制御性が得られる。 According to the fourth aspect of the present invention, the difference in refractive index at the joint can be increased during heating, so that it is possible to obtain better light attenuation controllability than when the signs of the thermo-optic constants in both blocks are the same.
請求項5の発明によれば、加熱して光減衰をさせるとき、接合部で光が反射し易くなるので、光減衰量を大きくできる。また、接合部面が光軸に対して直交していないので、光減衰をさせないときに反射戻り光が減り、戻り光によるS/N比の劣化を防止できる。 According to the fifth aspect of the present invention, when the light is attenuated by heating, the light is easily reflected at the joint portion, so that the light attenuation can be increased. Further, since the joint surface is not orthogonal to the optical axis, the reflected return light is reduced when the light is not attenuated, and the deterioration of the S / N ratio due to the return light can be prevented.
請求項6の発明によれば、加熱により徐々に実質的な光軸位置をコアの光軸からシフトさせつつ、接合部付近で集中的に過熱するので、接合部に屈折率分布を集中させて光減衰制御性をより向上させ、効率的な光減衰制御ができる。
According to the invention of
請求項7の発明によれば、屈折率を不連続とした接合部において散乱した光を第1のコア部の近傍に設けた高屈折率層で補足し、第1のコア部に再結合するのを防止でき、効率的な光減衰制御ができる。 According to the seventh aspect of the present invention, the light scattered at the junction having the refractive index discontinuous is supplemented by the high refractive index layer provided in the vicinity of the first core portion, and recombined with the first core portion. Therefore, efficient light attenuation control can be performed.
請求項8の発明によれば、第2の光導波路ブロックを切り抜き部分の基板上に載置して埋め込むことができるので、第1、第2、及び第3の光導波路ブロックを空気層を介して光結合でき、空気層により屈折率差を大きくできる。また、接合部に断熱効果をもたせることができ、端部を効率的に加熱できる。 According to the invention of claim 8, since the second optical waveguide block can be placed and embedded on the cutout portion of the substrate, the first, second, and third optical waveguide blocks are interposed via the air layer. Can be optically coupled, and the refractive index difference can be increased by the air layer. Moreover, the heat insulation effect can be given to a junction part and an edge part can be heated efficiently.
請求項9の発明によれば、徐々に光を本来の光軸からシフトさせて、屈折率の不連続部にぶつけることになるので、逆の場合と比較して効率的に光を減衰させることができる。また、光が光軸からシフトしているので、反射による戻り光が少なく、減衰量が小さい場合の制御も容易となる。 According to the ninth aspect of the present invention, the light is gradually shifted from the original optical axis and hits the discontinuous portion of the refractive index, so that the light is attenuated more efficiently than in the reverse case. Can do. Further, since the light is shifted from the optical axis, there is little return light due to reflection, and control when the amount of attenuation is small is facilitated.
以下、本発明の一実施形態に係る光導波路モジュールについて、図面を参照して説明する。図1は、光導波路モジュール6の構成とその動作状態を示す。光導波路モジュール6は、図1(a)に示すように、熱光学材料よりなる第1のコア部11及び第1のクラッド部12を有した第1の光導波路ブロック1と、熱光学材料よりなる第2のコア部21及び第2のクラッド部22を有し、第1の光導波路ブロック1に光結合するように接合された第2の光導波路ブロック2とを備えている。第2のコア部21及び第2のクラッド部22は、第1のコア部11及び第1のクラッド部12の材料とは異なる熱光学定数を有する熱光学材料より成る。第2の光導波路ブロック2は、第2のクラッド部22の表面で、かつ第1の光導波路ブロック1との接合部5近傍に配されたヒータ部4を備えている。ヒータ部4は電極40を介して通電される。また、第1の光導波路ブロック1と第2の光導波路ブロック2は、それぞれ第1の基板13と第2の基板23の上に形成されている。なお、以下の説明において、第1及び第2という呼称は適宜省略する。
Hereinafter, an optical waveguide module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of the
光導波路モジュール6の光減衰動作を図1(b)により説明する。ヒータ部4が、コア部21の光軸に直交する方向で、かつ、2つの光導波路ブロック1,2の接合部5の近傍に配されているので、ヒータ部4の発熱時の温度分布は、等温線a,bで示されるように接合部5の両側に略対称になる。ところが、2つの光導波路ブロック1,2の各導波路を形成する熱光学材料の熱光学定数を互いに異なるものとしているので、接合部5の両側において屈折率分布は異なったものになる。
The light attenuation operation of the
すなわち、ヒータ部4による加熱の結果、コア部21による光の拘束力が弱くなり、さらに光導波路ブロック1と光導波路ブロック2との接合部5における屈折率分布が不連続となる。従って、光導波路モジュール6の接合部5を通過する光は、屈折率の不連続面を通過することになる。そのため、接合部5における反射が発生し、これにより光導波路ブロック1に向かって進む光に光減衰を生じさせることができる。この反射による光減衰量は、ヒータ部4への投入電力により制御することができる。次に、これらの光減衰を説明する。
That is, as a result of heating by the
光導波路モジュール6において、2つの光導波路ブロック1,2の各導波路を形成する熱光学材料の熱光学定数を、例として次のような構成に設定する。両ブロックとも熱光学定数が負の材料を用いることとし、コア部21及びクラッド部22の熱光学定数の絶対値が、コア部11及びクラッド部12の熱光学定数の絶対値よりも大きいものとする。熱光学定数が負で絶対値が大きい優れた熱光学効果を有する材料として,アクリル系,エポキシ系,シリコーン系,ポリイミド系などの高分子材料を用いることができる。
In the
上述の熱光学定数構成にすると、ヒータ部4の通電時に、光導波路ブロック2のヒータ部4近くの屈折率が大きく下がるが、基板23側の屈折率はあまり下がらない。そして、この屈折率分布により光のもれが発生し、さらにコア部21を導波する光は接合部5近傍で基板23側へと偏向される。
With the above-described thermo-optic constant configuration, when the
このとき、光導波路ブロック1のヒータ部4近くの屈折率はあまり下がらず、また、基板13側の屈折率は殆ど下がっていない状態である。このような光導波路モジュール6の状態において、コア部21の中を右方から接合部5に向かって進む光p1の一部は、場所による屈折率の変化に伴い、光p2,p3のようにコア部21から離れるように進む。すなわち、光導波路ブロック2の中を接合部5に向かって進む光は、コア部21とコア部11から形成される本来の光軸から次第にシフトする光軸に沿って進むことになる。
At this time, the refractive index near the
本来の光軸から離れて進む光は、接合部5の屈折率の不連続面を通過すると、接合部5の前後で光軸にズレが生じているので、本来の光路であるコア部11に戻ることはできず、光p4,p5のように進んで基板13に吸収されたり、光導波路ブロック1及び光導波路ブロック2の外側に放射されたりする。そして、光p1の一部が光p6となってコア部11をさらに導波する。ヒータ部4への投入電力により、光p6の強度が制御され、また遮断される。このように、接合部5に至るまでは、コア部21による光の拘束力が弱くなって光のしみ出しが進み、接合部5の前後の屈折率分布の違いにより、光軸にずれが生じることによる光減衰の効果がより確実に実効あるものとされ、効率的な光減衰が実現される。なお、各光導波路ブロック間の光結合の結合時過剰損失が30dB以下であれば、屈折率分布制御により20dB以上の減衰量を上乗せすることができる。
When the light traveling away from the original optical axis passes through the discontinuous surface of the refractive index of the
ここで、光導波路モジュール6の製造について説明する。光導波路モジュール6は、2つの光導波路ブロック1,2を別々に形成した後、互いに光結合して接合されて形成される。そこで、2つの光導波路ブロックのうち、ヒータ部を備えた第2の光導波路ブロック2について説明する。基板23として、熱伝導率の高い基板、例えばSiウエハを用いる。なお、型転写などの成形により光導波路を作成する場合は特に基板を必要としない。光導波路は、互いに屈折率差を設けたコア部21とクラッド部22からなり、その形成は、導波路材料に応じて各種の積層技術とパターニング技術を用いて行われる。例えば、化学的蒸着、物理的蒸着、ゾルゲル法、浸漬や滴下とスピンコーティングを組合わせて形成する方法、型転写などの技術を用いることができる。コア部21の形状形成は、所定のマスクパターンを用いて直接露光現像、パターニングしたフォトレジストを介した反応性イオンエッチング、型転写などの技術を用いて行われる。シングルモードの光導波路は、コア部21とクラッド部22の屈折率差0.3%、コア部21の断面形状5〜10μmが望ましい。
Here, the manufacture of the
上記のような技術を用いて形成した光導波路を有する光導波路は、他の光導波路や光ファイバなどとの光結合のために光軸に略垂直な導波路端面が形成される。そして、形成された導波路端面近傍にヒータ部4を形成する。ヒータ部4は、必要部位のみ細線にパターニングした金属薄膜により形成され、ジュール熱により加熱できるような構成とされる。金属薄膜は、加熱に必要な電力に応じて材料、断面寸法(抵抗値)を決めればよく、薄膜材料として、例えばTi、Au、Al、Ni、Cr、NiCrなどがあげられる。例えば、Auを用いる場合、耐環境性に優れたヒータ部4を形成することができる。幅10μm、厚さ0.2μmのAu薄膜によるヒータ部4では、抵抗値が数10〜数100Ωとなり、数10mW程度の加熱ができる。
An optical waveguide having an optical waveguide formed using the above technique has a waveguide end face substantially perpendicular to the optical axis for optical coupling with other optical waveguides and optical fibers. And the
次に、ヒータ部4と接合部5の位置関係と光減衰効率について図2により説明する。ヒータ部4は、接合部5に近いほど光減衰制御に効果があり、例えば接合部5から50μm以内にパターニングして形成するのが好ましい。これは、温度分布に注目すると分かるように、図2(a)に示すようにヒータ部4が接合部5に最接近した状態に対し、図2(b)に示すようにヒータ部4が接合部5から離れた状態では、従来例を説明した図15(b)に示した状態と同様の問題が発生するからである。
Next, the positional relationship between the
上記に関連して、他の実施形態の光導波路モジュールを図3により説明する。ヒータ部4は、図3(a)(b)に示すように、両方の光導波路ブロック1、2に跨るように接合部5に配置してもよい。このようなヒータ部4の配置は、光導波路ブロック1と光導波路ブロック2とを光結合して接合した後にヒータ部4を形成すれば可能である。ヒータ部4への通電用電極30、40の配置場所は、特に限定されない。ヒータ部4を両光導波路ブロックの接合前に形成するか、接合後に形成するかは、光導波路モジュール6の設計及び製造の自由度として適宜選択することができる。
In relation to the above, an optical waveguide module according to another embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図4により説明する。この光導波路モジュール6は、コア部21及びクラッド部22の熱光学定数が負の値を有し、コア部11及びクラッド部12の熱光学定数が正の値を有しており、熱光学定数の正負の符号が互いに異なるものである。ヒータ部や導波路の構造は、図4(a)に示すように、前出の図1に示した実施形態のものと同じである。光導波路ブロック1の接合部5の近傍で導波路厚み方向X1における屈折率分布は、図4(b)に示すようになる。分布曲線a0は、ヒータ部4に通電していないときの屈折率分布を示す。屈折率分布は、コア部11で高く、上部クラッド部12a、下部クラッド部12bで低い光導波路として一般的な分布をしている。分布曲線a1は、ヒータ部4に通電状態の屈折率分布を示す。熱光学定数が正であるから、ヒータ部4の通電により、各部の屈折率nが増大しており、その増大の割合はヒータ部4に近いほど大きくなっている。同様に、光導波路ブロック2の接合部5の近傍で導波路厚み方向X2における屈折率分布は、図4(c)に示すようになる。この場合、熱光学定数が負であるから、ヒータ部4の通電により、各部の屈折率nが減少しており、その減少の割合はヒータ部4に近いほど大きくなっている。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIG. In this
このように、ヒータ部4の加熱時において、屈折率の変化の方向が接合部5の前後で異なる構成であるので、接合部5の前後における屈折率の不連続性の大きな状態が実現される。従って、効率的な光減衰の制御ができる。
In this way, when the
上述の光導波路モジュール6は、以下のような光学材料を用いて構成できる。正の熱光学効果を有する材料として、石英系材料又は水晶、サファイア、LiTaO3、LiNbO3などの無機結晶材料を用いることができる。負の熱光学効果を有する材料として、アクリル系、エポキシ系、シリコーン系、ポリイミド系などの高分子材料を用いることができる。
The
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図5により説明する。この光導波路モジュール6は、光導波路ブロック1、2の接合部に断熱層51を形成したものである。断熱層51は、光導波路ブロック1、2を接合する時に断熱効果を有する接着材料を用いて接着することにより形成できる。断熱層51の厚みは、コア部11とクラッド部12の屈折率差、コア部21とクラッド部22の屈折率差、導波する光の波長、及び光導波モードにより最適値を選択決定する。例えば、屈折率差が0.3%であり、導波モードがシングルモードであり、波長が1.55μmである光を伝搬させる場合、断熱層51の厚みは10μm以内が望ましい。このような断熱層51を設けることで、ヒータ部4を備えた光導波路ブロック2の側だけを高効率で加熱、昇温できるので、光導波路ブロック1、2を構成する材料の熱光学定数の符号を互いに相違させなくても、接合部における屈折率差を効率的に大きくできる。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIG. In this
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図6により説明する。この光導波路モジュール6は、光導波路ブロック1、2の接合部がコア部11及びコア部21の光軸に垂直な面に対して傾斜角θ=5゜〜10゜を有する面で構成されている。傾斜端面を有する各光導波路ブロック1、2は、導波路を形成して各ブロックに切断後、導波路端面を斜めに研磨して容易に作製できる。このような接合部5を有する光導波路モジュール6は、光軸に垂直な接合部の場合よりも接合部における光反射の割合を増して、光減衰の効果が増す。すなわち、ヒータ部4による加熱時の屈折率変化により偏向した光p9が、傾斜角θが上乗せされた入射角で接合部5に斜め入射するので、接合部5で反射する光p10が増加し、従って、通過する光p11が減少する。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIG. In this
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図7により説明する。この光導波路モジュール6は、ヒータ部4が、光導波路ブロック1と光導波路ブロック2との接合部5に近いほど発熱量が増大するように形成されている。ヒータ部4は、光軸方向に沿って幅又は厚みを変化させて形成される。光軸方向に沿って幅が一定でないヒータ部4は、フォトリソグラフィ法によるパターニングで容易に作製できる。光軸方向に沿って厚みが一定でないヒータ部4は、ヒータ部4を金属薄膜で形成する際に、グレーマスクを使用したスパッタ法などで厚み分布を持たせて製作できる。接合部5に近づくにつれヒータ幅を細く(又はヒータ厚を薄く)して、接合部5から遠いところでは低パワーで徐々に光軸をシフトさせ、接合部5に近いところでは集中的にヒータ部4で過熱することで、温度分布変化、従って屈折率分布変化を接合部に集中して光減衰制御性をより向上させ、効率的な光減衰制御ができる。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIG. The
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図8により説明する。図8(a)に示す光導波路モジュール6は、光導波路ブロック2のコア部21の幅を、接合部5の近傍で狭くした領域21aを備えており、図8(b)に示す光導波路モジュール6は、光導波路ブロック2のコア部21の幅を、接合部5の近傍で広くした領域21bを備えている。コア部21の幅の変化する光導波路は、フォトリソグラフィ法によるパターニングで容易に製作することができる。コア部21の幅が変化することによりコア部21の導波光は領域21a、又は領域21bにおいて、コア部21による光の拘束力が不安定となるので、ヒータ部4による加熱時に導波光が光軸からシフトし易くなり、効率的な光減衰ができる。光は、両光導波路モジュール共に、矢印P0で示すように、光導波路ブロック2側から光導波路ブロック1側へと入射して好的に用いられる。シングルモードの光が安定的に伝搬する光導波路は、コア部とクラッド部の屈折率差が0.3%のとき、コア部形状が5〜10μmであるので、接合部5近傍におけるコア部領域21a,21bの幅は、このようなコア部形状の範囲内とする。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIG. The
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図9、図10により説明する。この光導波路モジュール6は、光導波路ブロック2の光軸の両側の光入出射端に、光導波路ブロック1が接続されたものである。光導波路ブロック2の両接合部5には、図9(a)(b)に示すように、同時に加熱できるようにヒータ部4が配置され、それぞれのヒータ抵抗R4,R4は直列接続(又は並列接続)して同時にON/OFFして用いられる。また、光導波路ブロック2の光導波路長が短ければ、図10に示すように、両端の接合部5が近接するので、両接合部5のヒータ部4は光入出射の両側で一体化したものとされる。光導波路ブロック2の両端に接合部5を設けて光減衰機能を持たせることで、光導波路ブロック2に入出射する光に対し大きな減衰効果が得られ、また、光入出射の両側のヒータ部を一体化すると、減衰エリアを小さくできる。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIGS. In this
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図11により説明する。この光導波路モジュールの第2の光導波路ブロック2は、図11(a)に示すように、Y分岐したコア部22を有する1×2TO光スイッチを内部に備えている。また、第1の光導波路ブロック1は、それぞれ第1のコア部11及び第1のクラッド部12を有した2つの光ファイバである。光導波路ブロック2は、Y分岐導波路の分岐部の両岐路付近に光スイッチ用のヒータ部41,43、及び光ファイバからなる第1の光導波路ブロック1との接合部5近傍に光減衰用のヒータ部42,44を備えている。光スイッチ用のヒータ部と光減衰用のヒータ部は、例えば、図11(b)に示すように、抵抗R41〜R44、電源E、回路スイッチSWが電気接続され、それぞれ連動してOFFポートの消光比を向上するようになっている。矢印L0の方向からコア部21に入射した光は、光スイッチ用のヒータ部41(抵抗R41)を加熱すると光路が矢印L2側となり、矢印L1側の光路はOFF状態となる。このとき、OFF側の光路の光減衰用のヒータ部42(抵抗R42)を同時に加熱することにより、OFF状態をより確実にすることができる。なお、ヒータ部の連動の組合わせ(ヒータ回路)は、ここに示した回路に限られず、光スイッチの構成によって適宜選ばれる。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 11A, the second
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図12により説明する。この光導波路モジュール6は、図12(a)に示すように、接合部5付近におけるコア部21に導波路平面内で曲率ρの曲がった領域21cを備えており、また、図12(b)に示すように、コア部21、11の光軸からオフセットd2だけずらして配置したヒータ部4を備えている。光は、矢印L0で示すように、光導波路ブロック2側から光導波路ブロック1側へと入射して好的に用いられる。このような構成の光導波路モジュール6によると、以下に説明するように光軸シフトが容易であるので効率良く光減衰でき、また偏波依存損失(PDL)についても改善された光減衰特性が得られる。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 12 (a), the
領域21cによる効果を説明する。光が直線導波路を伝搬する際には、光は導波路(コア部)の中心軸に対称に分布して進行する。しかしながら、曲線導波路の場合は、光強度分布は中心軸に対称とはならず、例えば円弧導波路の場合、その曲率中心と反対の外側に染み出しの多い分布で進行することが知られている。従って、熱光学定数が負の材料を用いた場合、図12(a)に示すように、コア部21の曲がった領域21cの曲率中心側(内側)にヒータ部4を配置して、減衰させるための光を外側へ放射させるようにすれば、光の染み出しの多い分だけ、光軸シフトが容易であり、低電力で光を放射・減衰させることができ、その結果、低電力で大きな減衰を得ることができる。また、熱光学定数が正の材料に対しては、逆に、ヒータ部4を曲率中心と反対側にずらして配置すればよい。
The effect of the
オフセットd2による効果を説明する。導波光を電磁界成分で考えた場合、減衰されやすい光は振動方向が基板23面に垂直であるTMモード光であり、基板23面に平行な方向に振動するTEモード光は減衰されにくい。このため、非加熱状態ではほとんど生じない偏波依存損失(PDL)が、ヒータ加熱電力の増加とともに増加する。そこで、
ヒータ部4とヒータ部4で加熱される領域21cをオフセットd2だけずらした位置関係とすることで、領域21cに対して斜め方向の温度勾配が形成される。その結果、屈折率分布も斜め方向の分布となり、領域21cにおける光の分布は基板23から遠い分布となる。従って、光導波路平面方向への放射光が生じるようになり、基板23での吸収による減衰が少なくなる。すなわち、TEモード光とTMモード光の減衰の差が抑制され、偏波依存損失(PDL)の増加が抑制される。
The effect of the offset d2 will be described. When the guided light is considered as an electromagnetic field component, light that is easily attenuated is TM mode light whose vibration direction is perpendicular to the surface of the
By setting the positional relationship in which the
なお、光導波路(コア部21)に極端な曲率を持たせると過剰損失が発生するため、この損失が0.1dB以内となるように曲率を設定する。また、ヒータ部4の位置は、曲率の内側となるように導波路から5〜30μmのオフセットをかけて配置する。
In addition, since an excessive loss will generate | occur | produce if an optical waveguide (core part 21) is given an extreme curvature, a curvature is set so that this loss may be within 0.1 dB. Further, the
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図13により説明する。この光導波路モジュール6は、光導波路ブロック1のコア部11の近傍に高屈折率層14を備えている。光は、光導波路ブロック2側から光導波路ブロック1側に入射して好的に用いられる。光導波路ブロック1の製造は以下のようにして行われる。まず、基板となるシリコン基板に、クラッド部12用の層を所定の厚さで形成し、その上に高屈折率層14用の層を形成する。屈折率はコア部11の屈折率と同程度でよい。その後、この好屈折率層を形成した基板の上に、図1に関連して説明した方法でコア部11、クラッド部12を形成し、切断、研磨して光導波路ブロック1が得られる。このような構成の光導波路モジュール6によると、屈折率を不連続とした接合部5において散乱した光をコア部11の近傍に設けた高屈折率層14で補足し、コア部11に再結合するのを防止でき、効率的な光減衰制御ができる。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIG. The
次に、光導波路モジュールのさらに他の実施形態について、図14により説明する。この光導波路モジュール6は、図14(a)(b)に示すように、3つの光導波路ブロック1,2,3から構成されている。第1の光導波路ブロック1と、熱光学材料よりなる第3のコア部31及び第3のクラッド部32を備えた第3の光導波路ブロック3とが基板7上に一体的に形成されている。第1及び第3の光導波路ブロック1,3はコア部11,31及びクラッド部12,32を除去した切り抜き部分71を備えている。切り抜き部分71に第2の光導波路ブロック2が埋め込まれ、これらの第1、第2、及び第3の光導波路ブロック1,2,3が互いに光結合されている。
Next, still another embodiment of the optical waveguide module will be described with reference to FIG. As shown in FIGS. 14A and 14B, the
製造方法について述べる。一体的に形成された光導波路ブロック1,3は、導波路層を形成していく際、予め切り抜き部分71の箇所を欠落させるようにパターニングするか、全ての積層を終えてから、機械的、化学的、又は熱的に除去して形成される。予めパターニングする方法として、図1に関連して説明したコア部のパターニングによる形成と同様の方法を用いることができる。光導波路ブロック2は、切り抜き部分71の底面に露出した基板7に接着剤72により固着される。この固着は、光導波路ブロック2の側面、つまりコア部21が露出していない面と、切り抜き部分71の内側壁(同じくコア部11,31が露出していない面)との間で行ってもよい。
A manufacturing method will be described. The integrally formed optical waveguide blocks 1 and 3 are patterned in advance so as to remove the
上記の構成の光導波路モジュール6によると、第1、第2、及び第3の光導波路ブロック1,2,3を空気層を介して光結合でき、空気層により屈折率差を大きくして、大きな光減衰を得ることができる。また、接合部5に空気層による断熱効果をもたせることができ、光導波路ブロック2の端部を効率的に加熱できる。ヒータ部4は、両端に設けてもよい。また、光導波路ブロック2の端部を基板から浮かした状態としておき、ヒータ部4を加熱したときの熱膨張により接合部5において歪みを発生させて幾何学的な光軸のズレを起こして光り減衰させてもよい。ヒータ部の加熱を停止すると、屈折率分布とともに歪みも解消し、光軸のズレもなくなる。
According to the
以上で個々の実施形態の光導波路モジュール6の説明を終わる。光の導波方向について個別に上述したが、本発明の光導波路モジュール6は、光導波路ブロック1,2の接合部5において、ヒータ部4を有する第2の光導波路ブロック2から第1の光導波路ブロック1に向けて光が導波されるのが好ましい。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、第1の光導波路ブロック1として光導波路を用いて説明したが、第2の光導波路ブロック2の接合部に光結合できる光素子であれば第1の光導波路ブロック1として光減衰した光信号を受け取ることができる。例えば、第1の光導波路ブロック1として、光ファイバ等の光素子を用いることができる。
This is the end of the description of the
1 第1の光導波路ブロック
2 第2の光導波路ブロック
3 第3の光導波路ブロック
4 ヒータ部
5 接合部
6 光導波路モジュール
11 第1のコア部
12 第1のクラッド部
14 高屈折率層
21 第2のコア部
22 第2のクラッド部
31 第3のコア部
32 第3のクラッド部
71 切り抜き部分
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記第2のコア部及び第2のクラッド部は、前記第1のコア部及び第1のクラッド部の材料とは異なる熱光学定数を有する熱光学材料より成り、
前記第2の光導波路ブロックは、第2のクラッド部の表面で、かつ前記第1の光導波路ブロックとの接合部近傍に配されたヒータ部を備えていることを特徴とする光導波路モジュール。 A first optical waveguide block having a first core portion and a first cladding portion made of a thermo-optic material; a second core portion and a second cladding portion made of a thermo-optic material; An optical waveguide module comprising a second optical waveguide block joined so as to be optically coupled to the optical waveguide block of
The second core part and the second cladding part are made of a thermo-optic material having a thermo-optic constant different from the material of the first core part and the first cladding part,
The second optical waveguide block includes a heater portion disposed on the surface of the second cladding portion and in the vicinity of a joint portion with the first optical waveguide block.
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WO2008099950A1 (en) * | 2007-02-14 | 2008-08-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Optical modulator component and optical modulator |
JP2016218328A (en) * | 2015-05-22 | 2016-12-22 | 日本電信電話株式会社 | Optical semiconductor element |
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- 2004-02-24 JP JP2004048804A patent/JP2005241768A/en active Pending
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