JP2005275093A

JP2005275093A - 導波路型光合分波器

Info

Publication number: JP2005275093A
Application number: JP2004089610A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Matsuda; 一美松田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】石英型光導波路素子の実装の前後で波形変化が少なく、石英型光導波路素子本来の特性が損なわれないパッケージ構造を有した導波路型光合分波器を提供する。
【解決手段】パッケージ１６と、パッケージ１６内に収納される石英型光導波路素子１１と、石英型光導波路素子１１を加熱するための金属薄膜ヒータ１２と、石英型光導波路素子１１の温度を検知するための温度センサ１５と、金属薄膜ヒータ１２からパッケージ１６への熱の移動を遮断する断熱板２１とを備えた導波路型光合分波器１において、断熱板２１が石英型光導波路素子１１の熱膨張係数と同じかそれよりも低い材料で形成され、その断熱板２１が低い熱膨張係数を有する材料を用いてパッケージ１６の形に応じて形成されたスペーサ２２を介してパッケージ１６に固定される導波路型光合分波器１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、石英型光導波路素子を用いた導波路型光合分波器に関するものである。

大容量の情報伝送に必要不可欠となっている波長多重通信（Wavelength Division Multiplexer：ＷＤＭ）の実用化に向けた研究開発が進んでいる中で光導波路は合分波機能を有する重要不可欠なデバイスの一つである。石英型光導波路素子は、環境温度や素子にかかる応力などにより光学特性が変化する性質がある。

このため、従来の光導波路モジュールは、光学特性の変化を防ぐために、導波路型光合分波器内にヒータや温度センサを取り付け、石英型光導波路素子にかかる応力を少なくしたパッケージ材料や構造にするなどの工夫をした実装を行っている。

石英型光導波路素子を収納した従来型の導波路型光合分波器の内部構造を図４に示す。

図４（ａ）は、導波路型光合分波器の正面構造断面図を、図４（ｂ）は、導波路型光合分波器の側面構造断面図を示したものである。

従来型の導波路型光合分波器１００は、パッケージ３６内に石英型光導波路素子３１を収容し、石英型光導波路素子３１の下に石英型光導波路素子３１を加熱するための金属薄膜ヒータ３２を設け、その金属薄膜ヒータ３２の下に熱がパッケージ３６へ移動するのを遮断するためのベークライト製の断熱板３３を接着剤で固定し、断熱板３３の四隅の下にスペーサ３４を取り付けて、断熱板３３とスペーサ３４とをこれらの部材を収納するためのパッケージ３６の下部にネジ固定する。石英型光導波路素子３１には光ファイバ３８を接続して導波路型光合分波器１００への光信号の入出力を行っている。

また、石英型光導波路素子３１の温度調節を行うため、石英型光導波路素子３１の上部に温度センサ３５を取り付けて金属薄膜ヒータ３２の発熱量を制御して、更にパッケージ３６内部の空間には断熱材３７を充填してパッケージ３６内部を保温できるように実装してある。

特開２０００−２２１４５５号公報特開２００１−８３３４０号公報特開２００１−８３３４３号公報特開２００１−１１６９３６号公報

しかしながら、石英型光導波路素子３１を剥き出しで測定した時と実装した状態で測定した時の中心波長、損失、そして温度特性などの波形が一致しなくなっている。これらの理由として、次のような２点が挙げられる。

（１）パッケージ３６の形状の反りが原因となって、石英型光導波路素子３１に応力がかかる。

（２）熱膨張係数の違う材料を使って石英型光導波路素子３１と断熱板３３とが形成されこれらが接着剤で貼り付けていることで、石英型光導波路素子３１に歪が生じる。

これらの問題を解決するため、断熱板３３を熱膨張係数が小さく熱伝導率の高い材料に変えることや、パッケージ３６内の内部温度を低下させないために断熱材３７をできるだけ敷き詰めるなどの試みも行われてきたが充分な効果は得られていない。

そこで、本発明の目的は、石英型光導波路素子の実装の前後で波形変化が少なく、石英型光導波路素子本来の特性が損なわれないパッケージ構造を有した光式の導波路型光合分波器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、第１の発明は、パッケージと、パッケージ内に収納される石英型光導波路素子と、該石英型光導波路素子を加熱するための金属薄膜ヒータと、上記石英型光導波路素子の温度を検知するための温度センサと、上記金属薄膜ヒータから上記パッケージへの熱の移動を遮断する断熱板とを備えた導波路型光合分波器において、上記断熱板が上記石英型光導波路素子の熱膨張係数と同じかそれよりも低い材料で形成され、その断熱板が低い熱膨張係数を有する材料を用いて上記パッケージの形に応じて形成されたスペーサを介して上記パッケージに固定される導波路型光合分波器である。

第２の発明は、上記断熱板は、上記石英型光導波路素子と同じ材料からなるものである。

第３の発明は、上記スペーサは、スーパーインバーからなるものである。

本発明によれば、石英型光導波路素子の実装の前後で波形変化が少なく、石英型光導波路素子本来の特性が損なわれないパッケージ構造を有した光式の導波路型光合分波器を得られる。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１（ａ）は本発明の実施の形態である導波路型光合分配器の正面構造断面図を示し、図１（ｂ）は本発明の実施の形態である導波路型光合分配器の側面構造断面図を示したものである。

図示したように導波路型光合分波器１は、石英型光導波路素子１１などを収納するパッケージ１６と、パッケージ１６内に収納された石英型光導波路素子１１と、石英型光導波路素子１１を加熱するための金属薄膜ヒータ１２と、石英型光導波路素子１１の温度を検知するための温度センサ１５と、金属薄膜ヒータ１２からパッケージ１６への熱の移動を遮断する断熱板２１とを備えて構成され、断熱板２１が石英型光導波路素子１１の熱膨張係数と同じかそれよりも低い熱膨張係数の材料で形成され、その断熱板２１が低い熱膨張係数を有する材料を用いてパッケージ１６の形に応じて形成されたスペーサ２２を介してパッケージ１６に固定されている。このような構造の導波路型光合分波器１は、入力された光信号を合波・分波するための光合分波器である。

このパッケージ１６の内部には、パッケージ１６内部を保温し、金属薄膜ヒータ１２などから発生する熱をパッケージ１６外部に逃がさないようにするため、上記の石英型光導波路素子１１などの部材がない隙間に断熱材１７を充填してある。更に石英型光導波路素子１１の温度を検知するための温度センサ１５が石英型光導波路素子１１の上部に設けられている。

この石英型光導波路素子１１には、所望の光信号を導波路型光合分波器１に入力及び出力するために光ファイバ１８が接続されている。

金属薄膜ヒータ１２は、金属を薄く延ばして薄膜状に形成してあり、通電加熱して石英型光導波路素子１１を均一温度にする。

断熱板２１は、金属薄膜ヒータ１２からの発熱をパッケージ１６に逃がすことなく、金属薄膜ヒータ１２からの熱を効率的に石英型光導波路素子１１に加えるために設けられており、この断熱板２１は細長い板状に形成され、面積の広い一面が金属薄膜ヒータ１２の層が設けられた石英型光導波路素子１１の片面に接着剤などで固定され、この断熱板２１の材料は、熱膨張係数（熱膨張率）が低いとよく、好ましくは石英型光導波路素子１１と同じ熱膨張率を有する同じ材料（例えば、石英ガラス）からなるとよい。

図中に示すように断熱板２１の幅は石英型光導波路素子１１の幅とほぼ等しくなっており、断熱板２１の長さは石英型光導波路素子１１の長さに比べて短くなっており、石英型光導波路素子１１の両端が環境温度に応じて自由に熱膨張若しくは熱伸縮するようになっている。

図２に示すように上部から見たスペーサ２２は、スーパーインバー（Super Invar：例えば、Ｎｉ３１％、Ｃｏ４％、Ｍｎ０．３〜０．４％程度の成分にＦｅを加えてなる合金）等の熱膨張係数の極低い材料を用いて、パッケージ１６の内部形状に応じ加工して形成される。例えば、細長い板の中央部を中空の空間２２ｎに形成した結果、長円形の中央部分が抜けて両端部は半円状の全体が環状の形になっており、この長円形の一部にスペーサ凹部２２ｃが設けられパッケージ１６に形成された図示しない凸部と嵌合し、環状部分の上面は断熱板２１（図中、二点鎖線で示す）の下面に接着剤などで固定され、このスペーサ２２の環状部分の下面は、パッケージ１６下部の内壁にネジなどで固定され、断熱板２１（図１参照）との接着箇所や接着面積を極力抑えようになっている。

図示したように、導波路型光合分波器１のパッケージ１６の内部には、パッケージ１６内部で発生する熱を外部に逃がさないように、断熱材１７が隙間無く充填されている。尚、図１では各部材が分かり易いように、断熱材１７と他の部材との境界に便宜上隙間があるように描かれている。

次に、本実施の形態の作用について図１により説明する。

導波路型光合分波器１に光ファイバ１８を介して入力された波長多重光信号は、石英型光導波路素子１１に入射され、石英型光導波路素子１１を通過した後に光ファイバ１８を介して、導波路型光合分波器１から出力される。

一方、石英型光導波路素子１１は、設けられた金属薄膜ヒータ１２が通電されて金属薄膜ヒータ１２が発熱することにより、加熱されている。加熱された石英型光導波路素子１１の周囲温度は、石英型光導波路素子１１の上部に設けられた温度センサ１５により常時モニタされる。

温度センサ１５の検知する温度に変化が生じた場合には、この温度変化に応じて金属薄膜ヒータ１２に通電する電流量を加減して、石英型光導波路素子１１の周囲温度が所望の温度になるように制御している。つまり、石英型光導波路素子１１が一定温度に保温されるようになっている。

既に説明したように、金属薄膜ヒータ１２の下部には断熱板２１が設けられており、また石英型光導波路素子１１の周囲には断熱材１７がパッケージ内に充填されているため、金属薄膜ヒータ１２から発した熱は殆ど逃げることなく、効率的に石英型光導波路素子１１に供給され、石英型光導波路素子１１を加熱する。従って、石英型光導波路素子１１は、パッケージ１６内の断熱構造と、金属薄膜ヒータ１２の温度制御とにより常に一定温度に保たれるようになっている。

そして本発明では、石英型光導波路素子１１と断熱板２１とが、同じ材質で形成されており当然熱膨張係数は互いに等しいから、石英型光導波路素子１１と断熱板２１とは温度によらず同じ熱膨張率で同じだけ熱膨張する。これは、従来技術で問題であった石英型光導波路素子と断熱板との熱膨張係数の差による反りや応力の発生による歪が生じない効果を得られていることを意味する。

このため、石英型光導波路素子１１は一定温度に保たれ上、断熱板２１から歪も受けず石英型光導波路素子１１の内部に応力が生じない。これは、従来石英型光導波路素子１１を通過する光信号の波長が変化する原因である温度変化や石英型光導波路素子１１内部の歪が解消されていることに他ならない。

また、スペーサ２２はスペーサ２２の環状構造のため、パッケージ１６に外部からの力による反りや変形が生じた場合も、スペーサ２２の空洞になった中空の空間２２ｎの部分ではパッケージ１６の反りや変形はスペーサ２２には伝わらないため、当然このパッケージ１６の反りや変形は断熱板２１や石英型光導波路素子１１にも伝わらず、石英型光導波路素子１１に変形歪を与えない。

従って、従来のようなパッケージ１６で発生する反りや歪は、石英型光導波路素子１１には伝わらず、石英型光導波路素子１１内部に歪が発生しないため、石英型光導波路素子１１を通過する光信号の波長に影響を与えず、波長は殆ど変化しない。

このような構造の導波路型光合分配器１の効果を確認してみると次のようになる。

図３は、本発明の実施の形態である導波路型光合分配器の特性と従来型の導波路型光合分波器の特性とを比較した温度特性図である。

図中、横軸は石英型光導波路素子周辺の環境温度（単位：℃）を示し、縦軸は各環境温度において石英型光導波路素子を伝送する光信号の中心波長の変化（シフト幅、単位：ｎｍ）を示す。特性図は、環境温度７０℃のときの伝送する光信号の中心波長を基準として、環境温度０℃、２５℃のときの光信号の波長変化をグラフにしたものである。実線は、本発明の実施の形態である導波路型光合分波器の温度特性を示し、二点鎖線は、従来技術の導波路型光合分波器の温度特性を示している。

図から分かるように、例えば２５℃では従来の波長の変化が０．０４ｎｍであるのに対して、本実施の形態では０．０２ｎｍと低く抑えられている。

また、０℃では従来の導波路型光合分波器の波長の変化が約０．０７ｎｍであるのに対して、本実施の形態では約０．０３ｎｍと低く抑えられており、光信号の波長変化（中心波長のシフト）が充分低減された優れた効果を示している。

従来の断熱板の下につけているベークライト製円柱型のスペーサの代わりに、熱膨張係数が極めて小さいことで知られるスーパーインバーをスペーサ２２の材料として利用し、スペーサ２２をパッケージ１６の形に合わせて加工したことで、パッケージ１６に生じた反りや歪がスペーサ２２を通して断熱板２１、石英型光導波路素子１１に伝わらず、石英型光導波路素子１１を通る光信号の波長の変化を抑える効果を得られる。

また、石英型光導波路素子１１と同じ石英ガラスで形成された板を金属薄膜ヒータ１２の下に断熱板２１として接着することにより、従来問題であった断熱板３３の熱膨張により発生する石英型光導波路素子３１の歪を解消することができ、石英型光導波路素子１１中を伝送する光信号の中心波長のシフトが大幅に低減できる。

以上、図１、図２の実施の形態ではＡＷＧ構造を有する石英型光導波路素子に基づいて説明したが、本発明は異なる構造の素子を有した様々な導波路型光合分波器や、通過する波長のシフトを極力抑える必要のある各種の光部品の実装に適用できる。

また、スペーサ２２の材料はスーパーインバーとしたが、スーパーインバーに限定されるものではなく、同じ程度の低い熱膨張係数を有するものであればよい。

スペーサ２２の形状についても、図示したような長円の中央部を空洞にして環状に形成されたものに限定されるものではなく、パッケージ１６や断熱板２１との接着面積が狭くパッケージ１６の反りや歪みを伝えないものであればよい。

本発明は、導波路型光合分波器のみならず積層構造を有し、これら積層構造の各層の熱膨張を低減させることが必要な構造に適用することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態である導波路型光合分配器の正面構造断面図である。図１（ｂ）は、本発明の実施の形態である導波路型光合分配器の側面構造断面図である。本発明の実施の形態であるスーパーインバー製のスペーサを取り付けた導波路型光合分配器のパッケージの概略図である。本発明の実施の形態である導波路型光合分配器の波長変化特性と従来型の導波路型光合分波器の波長変化特性とを比較した温度特性図である。図４（ａ）は、従来型の導波路型光合分波器の正面構造断面図である。図４（ｂ）は、従来型の導波路型光合分波器の側面構造断面図である。

符号の説明

１導波路型光合分波器
１１石英型光導波路素子
１２金属薄膜ヒータ
１５温度センサ
１６パッケージ
１７断熱材
１８光ファイバ
２１断熱板
２２スペーサ
２２ｃスペーサ凹部
２２ｎ中空の空間

Claims

パッケージと、パッケージ内に収納される石英型光導波路素子と、該石英型光導波路素子を加熱するための金属薄膜ヒータと、上記石英型光導波路素子の温度を検知するための温度センサと、上記金属薄膜ヒータから上記パッケージへの熱の移動を遮断する断熱板とを備えた導波路型光合分波器において、上記断熱板が上記石英型光導波路素子の熱膨張係数と同じかそれよりも低い材料で形成され、その断熱板が低い熱膨張係数を有する材料を用いて上記パッケージの形に応じて形成されたスペーサを介して上記パッケージに固定されることを特徴とする導波路型光合分波器。
上記断熱板は、上記石英型光導波路素子と同じ材料からなる請求項１記載の導波路型光合分波器。
上記スペーサは、スーパーインバーからなる請求項１または２記載の導波路型光合分波器。