JP2005321640A

JP2005321640A - 光導波路素子

Info

Publication number: JP2005321640A
Application number: JP2004140037A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Arai; 英明荒井; Naoto Uetsuka; 尚登上塚; Takashi Chiba; 貴史千葉; Hideki Namise; 秀樹南畝; Satoru Ouchi; 悟大内; Masahiro Hikage; 正広日景
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】金属板やヒータによる歪みや応力、ヒータ加熱時の温度分布の影響受けにくい光導波路素子を提供する。
【解決手段】基板上に入力導波路と出力導波路と入出力導波路に接続される位相差付与導波路とがそれぞれ一つ以上形成されて成る光導波路素子本体部に金属板或いはヒータ部が接着され、光導波路素子本体部の応力や温度を制御する光導波路素子において、
導波路素子本体部の厚さをｄ、導波路素子本体部の端面と該端面に最も近い位相差付与導波路との間隔をｓとし、厚さｄが所定厚さｄ₀ に対してｄ≦ｄ₀ のとき、ｓ≧ｄとし、ｄ≧ｄ₀ 以上のときｓ≧ｄ₀ とするように光導波路素子本体部が形成されるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、応力や温度分布による特性劣化の小さな光合分波器等の光導波路素子に関するものである。

現在、活発に開発が行われている波長多重通信では、０．８ｎｍ間隔や０．４ｎｍ間隔といった狭い分波間隔の光合分波器が必要とされている。このような狭い分波間隔を実現するものとしてマッハツェンダ干渉計型光合分波器やアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）といった光導波路素子がある。

例えば、図８は従来の光導波路素子の上面図である。

図８に示すように、光導波路素子は、基板の厚さ１ｍｍのインターリーブ光合分波器である光導波路素子本体部５１がヒータに接着されたものである。インタリーブ光合分波器は、ある波長間隔の信号群を２倍の波長間隔の２つの信号群に分波する、或いは逆に、ある波長間隔の信号群を１／２の波長間隔の信号群に合波する素子である。光導波路素子本体部５１は、光路長差の異なる一対の位相差付与導波路２４からなる非対称マッハツェンダ型導波路２６，２８，３０が光カプラ２５，２７，２９，３１を介して３つ縦列接続された光回路２１が形成されている。さらに、光回路２１と同構造の光回路３２，３３が２つ逆に縦列接続され、各光回路２１，３２，３３にそれぞれ一対の入出力導波路２３が接続されている。

入力ポート２２ａから各波長間隔が等しい波長λ₁，λ₂，λ₃，λ₄の波長多重信号光を入力すると、出力ポート２２ｂからは波長λ₁，λ₃の信号光が出力され、出力ポート２２ｃからは波長λ₂，λ₄の信号光が出力され、波長間隔が２倍の信号群に分波される。

これらの光導波路素子は光信号を一旦複数の導波路（位相差付与導波路２４）に分配し、複数の導波路の光路長差によって所望の分波間隔が得られるものである。導波路に入力された光信号は、近接或いは合流された複数の位相差付与導波で干渉がおこる。位相差付与導波路で付与される位相差は光信号の波長によって異なるため、干渉で強めあう光波の山の位置が異なり合分波器として機能する。よって、位相差付与導波路で付与される位相差すなわち光路長差は合分波器の特性に大きく影響する。

光路長差は導波路長だけでなく導波路の屈折率によっても変化し、導波路の屈折率は応力や温度によって変化する。屈折率への環境温度の影響を排除するために、波長多重通信で用いられる光導波路素子は金属板やヒータに接着されて用いられる事が多い。例えば、環境温度が７０℃以下の環境下で使用する場合は、ヒータ温度を７０℃以上にして、環境温度が変化しても光導波路素子の温度が常に一定になるように保ちながら光導波路素子を動作させている。

環境温度に依存しない光導波路素子には、スラブ導波路を分断させることで透過中心波長の温度依存性を補正するアレイ導波路回折格子がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３０５３６１号公報

しかしながら、光導波路素子本体部５１の端面から位相差付与導波路２４が十分に離れていない場合、たとえ素子単体で所望の特性が得られていてもパッケージングするための金属板や動作温度を一定に保つためのヒータに光導波路素子本体部５１を接着すると、その際に生じる歪みや応力による影響やヒータで加熱した場合に生じる温度分布の影響で特性が劣化してしまう問題があった。

例えば、従来の光導波路素子において、光導波路素子本体部５１の位相差付与導波路２４と各端面との距離Ａ〜Ｄのうち、基板端面１９に最も近い距離Ｃは０．５ｍｍである。ここで、図９に示す従来の光導波路素子本体部５１を７５℃の恒温槽に入れて測定した波長損失特性（特性線６１）と、ヒータを備えた光導波路素子をヒータにより加熱して測定した波長損失特性（特性線６２）とを比較した。ヒータ加熱した光導波路本体部の利得が恒温槽で加熱した光導波路素子本体部の利得に対して約半分程度に下がっている。つまり、ヒータによる加熱で生じる素子内温度分布の影響により波長損失特性が劣化している。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、金属板やヒータによる歪みや応力、ヒータ加熱時の温度分布の影響を受けにくい光導波路素子を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、基板上に入力導波路と出力導波路と入出力導波路に接続される位相差付与導波路とがそれぞれ一つ以上形成されて成る光導波路素子本体部に金属板或いはヒータが接着され、光導波路素子本体部の応力や温度を制御する光導波路素子において、
導波路素子本体部の厚さをｄ、導波路素子本体部の端面と該端面に最も近い位相差付与導波路との間隔をｓとし、厚さｄが所定厚さｄ₀ に対してｄ＜ｄ₀ のとき、ｓ≧ｄとし、ｄ≧ｄ₀ 以上のときｓ≧ｄ₀ とするように光導波路素子本体部が形成される光導波路素子である。

請求項２の発明は、上記所定厚さｄ₀ が１ｍｍである光導波路素子である。

請求項３の発明は、上記光導波路本体部の上面に応力付与部材として金属膜が形成される光導波路素子である。

請求項４の発明は、上記光導波路素子本体部は、上記位相差付与導波路が非対称マッハツェンダ型導波路を形成するインターリーブ光合分波器である光導波路素子である。

請求項５の発明は、上記光導波路素子本体部は、上記位相差付与導波路が複数のアレイ導波路であり、該アレイ導波路の両端にはスラブ導波路が接続されるアレイ導波路型回折格子である光導波路素子である。

本発明によれば、金属板やヒータ接着による歪みや応力、ヒータ加熱時の温度分布の影響を受けにくいという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明の特徴は、位相差付与導波路を導波路素子端面から遠ざけることにあり、遠ざける距離が大きい程効果は大きいが、素子サイズが大きくなりコスト等の面から考えるとできるだけ小さくしたい。そこで、本発明者らは、位相差付与部導波路と導波路端面との間隔の最小値を実験的、経験的に見出し、本発明に至った。

図１は本発明に係る光導波路素子の好適な実施の形態を示した平面図であり、図２は図１の２Ａ−２Ａ線断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態の光導波路素子１０は、石英基板１７上に光回路が形成された光導波路素子本体部１１と、光導波路素子本体部１１に接着されたヒータ１２とを備える。

また、光導波路素子１０の基板端面１９に備わる入出力ポート２２には入出力用ファイバ等の入出力手段１４，１５，１６が接続され、入出力手段１４が接続された入出力ポート２２が入力ポート２２ａ、入出力手段１５，１６が接続された入出力ポート２２、２２がそれぞれ出力ポート２２ｂ，２２ｃとなる。

光導波路素子１０は光導波路素子本体部１１の動作温度を一定に保つためにヒータ１２上に光導波路素子本体部１１の石英基板１７側が樹脂接着剤１３を介して接着されている。ヒータ１２は光導波路素子本体部１１（クラッド１８）の上面に取り付けてもよい。光導波路素子本体部１１を金属板やヒータ１２に接着して光導波路素子１０とし、パッケージに収納して光合分波器として用いられる。本実施の形態ではヒータ１２の材料としてＡｌＮを用いた。

次に、光導波路素子本体部１１について説明する。

図３及び図４に示すように、光導波路素子本体部１１は、厚さ１ｍｍの石英基板１７上に断面矩形状の入出力導波路（コア）２３，位相差付与導波路（コア）２４が形成され、コア２３，２４を覆うようにクラッド１８が形成されている。コア２３，２４の材料はＧｅＯ₂−ＳｉＯ₂、クラッド１８の材料は基板同様ＳｉＯ₂ である。コア２３，２４はスパッタリング法でコアとなる層を形成した後、フォトリソグラフィとリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）でパターンを形成し、クラッド１８の形成はＣＶＤ法により行った。石英基板１７からクラッド１８上面まで含めた光導波路素子本体部１１の厚さは１．０５ｍｍである。

光導波路素子本体部１１は、複数の非対称マッハツェンダ型導波路２６，２８，３０が直列多段に接続された光回路２１に、それと同構成の２組の光回路３２，３３が縦列に接続されて構成されるインタリーブ光合分波器である。

光回路２１，３２，３３の各々において、一対の入出力導波路２３に、一対の位相差付与導波路２４，２４からなる非対称マッハツェンダ型導波路２６，２８，３０が３つ直列に接続されている。入出力導波路２３と非対称マッハツェンダ型導波路２６、及び非対称マッハツェンダ型導波路２６、２８同士は、光カプラとして伝搬光を３ｄＢ分岐させるＭＭＩカプラ２５、２７を介してそれぞれ接続されている。また、非対称マッハツェンダ型導波路２８、３０同士は光カプラとして方向性結合器２９を介して接続されている。

上記光回路２１の非対称マッハツェンダ型導波路３０にはそれぞれ光回路２１と同構成の光回路３２，３３の非対称マッハツェンダ型導波路３０、３０がそれぞれ接続されている。非対称マッハツェンダ型導波路３０，３０同士は、方向性結合器３１、３１とその間に形成される接続用導波路３４を介して接続されている。

導波路（入出力導波路２３、非対称マッハツェンダ型導波路２６，２８，３０）同士を接続する光カプラは結合効率の違いによって使い分けられており、結合効率を大きくする箇所にはＭＭＩカプラ２５，２７、小さくする箇所には方向性結合器２９，３１によって接続されている。

各光回路２１，３２，３３を構成する入出力ポート２２及びマッハツェンダ型導波路２６，２８，３０、ＭＭＩカプラ２５，２７、方向性結合器２９，３１はそれぞれ同列に整列するよう配置され、各入出力ポート２２、２２，２２が基板の同端面側に位置する。

さらに、光導波路素子１０の特徴として、基板端面１９に最も近い位相差付与導波路２４と基板端面１９との間隔ｓは、光導波路素子の厚さが所定厚さｄ₀ に対してｄ＜ｄ₀ のとき、ｓ≧ｄとし、ｄ≧ｄ₀ のとき、ｓ≧ｄ₀ 以上となるように光導波路素子本体部１１は形成される。

本実施の形態では、図３において各基板端面１９から位相差付与導波路２４までの距離Ａ₁，Ｂ₁，Ｃ₁，Ｄ₁のうち、最も短い距離をｓとし、本実施の形態で所定厚さｄ₀ を１ｍｍとした。即ち、光導波路素子本体部１１は厚さｄが１．０５ｍｍであるため、ｄ＞ｄ₀ を満たすので、基板端面１９から最も近い位相差付与導波路２４までの距離（距離Ｃ₁ ）を１．２ｍｍとした。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

入力ポート２２ａより入力された波長間隔０．４ｎｍの波長多重光（波長λ₁，λ₂，λ₃，λ₄）は、非対称マッハツェンダ型導波路２６で、光路長差ΔＬに依存した波長間隔周期で分波される。マッハツェンダ型導波路２８，３０は分波された伝搬光の各通過帯域を平坦化する光回路であり、マッハツェンダ型導波路２８，３０を通過させることで箱形の波長損失特性が得られる。

光回路３２，３３は分波された伝搬光のクロストークを減少させるための光回路である。光回路２１を伝搬した光を光回路２１と同構成の光回路３２，３３に逆方向から入射させることで、光回路２１で生じた分散を相殺してクロストークを減少させる。よって、出力ポート２２ｂからは、波長λ₁ ，λ₃ …に分波され、その波長特性が平坦化かつクロストークが抑制された光が出力される。同様に、出力ポート２３ｃからは波長λ₂ ，λ₄ …に分波された光が出力される。

ここで、ヒータ加熱時の光導波路素子本体部１１の素子温度分布の影響について説明する。光導波路素子１０はヒータ１２により光導波路素子本体部１１の動作温度を一定に保つようにしている。光導波路素子本体部１１はヒータ１２と接している面以外は外気（空気）と接することになる。

従来の光導波路素子では、素子端面の温度と素子内部の温度には差が生じ、基板端面１９近くにある位相差付与導波路２４と内部にある位相付与導波路２４とで温度に違いが生じる。導波路の屈折率は温度依存性を有するため、導波路間で屈折率の違いが生じ、その結果、光路長差が設計値からずれてしまい、所望の特性が得られなくなる。

これに対し、光導波路素子本体部１１は厚さｄが１．０５ｍｍであり、基板端面１９から最も近い位相差付与導波路２４までの距離（距離Ｃ₁ ）を１ｍｍ以上としているので、ヒータ１２による素子内温度分布の影響を受けにくくしているため、位相差付与導波路２４間での温度差による屈折率変化が殆どなく、良好な波長特性を得ることができる。

ここで、本実施の形態の光導波路素子１０と恒温槽で温度均一に保持された光導波路素子本体部との波長損失特性を比較する。

図５は、長波長帯域のＡＳＥ（増幅自然放出）光を入力ポート２２ａから入力し、出力ポート２２ｂからの出力を光スペクトルアナライザで波長損失特性を測定したものである。ヒータの温度は７５℃とし、恒温槽内の光導波路本体部の温度も７５℃とした。

図５に示すように、光導波路素子１０の波長損失特性は特性線３５であり、恒温槽内で温度保持された光導波路本体部の波長損失特性は特性線６１であり、特性線３５，６１共に、同じ波長帯でピークとなり、その帯域幅も略同じである。よって、従来の光導波路素子と比べて、恒温槽の特性と特性変化が小さくなっているため、本実施の形態の光導波路素子本体部１１における温度分布は均一になっていることがわかる。

素子内温度分布の影響は、絶対値の影響（素子全体の温度変化の影響）よりも素子内の温度差の影響の方が重要である。つまり、ヒータ全体の温度が０．１℃均一に変化してもたいした影響はないが、位相差付与導波路間に０．１℃の温度差があると影響は大きい。この現象は光導波路素子の厚さと関連があり、導波路素子が薄い場合には素子端面と内部との温度差は小さくなる。その他様々な条件に左右されるが、様々なケースで位相差付与導波路２４を光導波路素子本体部１１の厚さと同程度基板端面１９から離せば十分である結論に到達した。

また、金属板やヒータ１２を接着するだけでも歪みや応力の影響により特性が変化する現象がみられる。実験の結果から、基板端面１９に近い位相差付与導波路２４の光路長に変化がおこっていることが推測される。ヒータ接着の条件等にも左右されるが、素子厚さが１ｍｍ未満の場合は素子厚さ以上、素子厚さが１ｍｍ以上の場合は１ｍｍ以上離せば接着の影響を防ぐことができる。

本実施の形態では基板が石英ガラスで形成された石英基板１７を用いたが、シリコン（Ｓｉ）基板でも同様の効果が得られる。ただし、光導波路素子本体部にＳｉ基板を用いる際は、基板とコアとの間に十分な下部クラッド層を形成するとよい。

光導波路素子１０は基板１７にヒータ１２を接着しているため、基板１７上の導波路２３，２４はヒータ接着による歪みの影響を受けにくい。また、ヒータ１２に限らず、パッケージングのため金属板を接着する際も基板１７に接着することで歪みの影響を受けにくくすることができる。逆に、クラッド１８の表面にヒータや金属板を装着することで、光導波路素子本体部１１への熱の分布を均一にすることができる。さらに、熱の分布を均一にするために、クラッド表面に金属板の代わりに金属膜を形成してもよく、金属板を光導波路素子本体部１１に貼り付ける工程を省略でき、光導波路素子の実装組立が簡単に行うことができ、製造の低コスト化が可能となる。

本実施の形態では所定厚さｄ₀ を１ｍｍとしたが、基板材料や、導波路の材料、光導波路素子本体部の平面積対厚さ比、光回路構成、ヒータ温度等の諸条件によって、基板端面と位相差付与導波路との距離を決定する基準となる所定厚さを適宜選定してもよい。

また、光学特性の一つでアイソレーション（所定のポートに不要な光信号が入り込んでしまう割合）を満足させるために、仕様に応じて光導波路素子本体部１１の端面１９と位相差付与導波路２４との間隔を決定することでアイソレーションを所望の値に設定することができる。

図６は、基板厚さ１ｍｍとした光導波路素子本体部１１の基板端面１９と位相差付与導波路２４との距離と、アイソレーション値との関係を示した図である。尚、黒丸のプロット点は、光導波路素子１０において、入力ポート２２ａから入力され、２つの光回路２１，３２を通って出力ポート２２ｂから出力される光路におけるアイソレーションを値を示し、白三角のプロット点は入力ポート２２ａから入力され、２つの光回路２１，３３を通って出力ポート２２ｃから出力される光路におけるアイソレーション値を示している。

図６に示すように、特性線３７は、距離が０．３ｍｍのとき３５ｄＢのアイソレーションで徐々に距離を大きくするにつれてアイソレーションは緩やかに大きくなっている。特性線３７によって所望のアイソレーションを得るために必要な素子端面と位相差付与導波路との間隔を求めることができる。

また、特性線３７は基板の厚さが１ｍｍ時のものであるため、基板の厚さが異なる場合には所定の厚さでアイソレーションと基板端面１９と位相差付与導波路２４との間隔と測定して作製した近似曲線に基づいて、端面１９と位相差付与導波路２４との間隔を決定してもよい。これにより、基板端面１９と位相差付与導波路２４との間隔を必要最低限の大きさにでき、光導波路素子１０の素子サイズを極力小さくすることができる。

光導波路素子１０は波長多重通信システムで使用される波長フィルタとして用いられる。特に、光信号周波数間隔が５０ＧＨｚや２５ＧＨｚといった信号間隔が狭い、高密度波長多重通信システムに用いることができる。

また、副次的な効果として、素子ハンドリングミスにより端面が欠けた場合でも導波路自体への影響を少なくできる。

次に本発明に係る他の実施の形態について説明する。

図７に示すように、光導波路素子の光導波路素子本体部４１は、入出力導波路４４，４８と、位相差付与導波路として複数のアレイ導波路４６と、入出力側スラブ導波路４５，４７とを備えるアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ：Array Waveguide grating ）である。本体部端面の入力端４２から延出する入力導波路４４には入力側スラブ導波路４５が接続され、入力側スラブ導波路４５の他端に複数のアレイ導波路４６が接続されている。アレイ導波路４６は各々長さが異なっている。全てのアレイ導波路４６は出力側スラブ導波路４７に接続され、その他端に複数の出力導波路４８が接続され、その出力導波路４８は本体部端面の出力端４２まで形成されている。

光導波路素子本体部４１では、入力導波路４４から入力された信号光は、入力側スラブ導波路４５で拡がり、各アレイ導波路４６に伝搬する。各アレイ導波路４６はそれぞれ光路長差が異なるため、出力側スラブ導波路４７で干渉して、波長の異なる光に分波され、分波された光はそれぞれ複数の出力導波路４８から出射される。また、光導波路素子本体部４１は、出力導波路４８から波長の異なる光をそれぞれ入射させると、入力導波路４７側から波長多重化された光が出力される合波器ともなる。

光導波路素子は、光導波路素子本体部４１に形成される光回路が上述の前実施の形態と異なるが、歪みや応力、温度に対して同様の効果を有する。位相差付与導波路であるチャネル導波路のうち最も基板端面に近い（最外の）アレイ導波路４６と基板端面１９との間隔（距離Ｃ₂）と、光導波路素子本体部４１の厚さとを考慮して、最外のアレイ導波路４６と基板端面１９との間隔を決定することにより、ヒータ加熱による温度分布の影響や金属板やヒータ接着による応力等の影響を受けにくくすることができ、所望の光特性を得ることができる。

本実施の形態の光導波路素子を示す平面図である。図１の２Ａ−２Ａ線断面図である。図１の光導波路素子本体部を示す上面図である。図３の４Ａ−４Ａ線断面図である。図１の光導波路素子の波長損失特性を示す図である。導波路本体部端面と位相差付与導波路との間隔とアイソレーションとの関係を示す図である。他の実施の形態の光導波路素子の本体部を示す上面図である。従来の光導波路素子本体部を示す透明上面図である。図８の光導波路素子の波長損失特性を示す図である。

符号の説明

１０光導波路素子
１１光導波路素子本体部
１２ヒータ
１９基板端面
２３入出力導波路
２４位相差付与導波路
２６，２８，３０非対称マッハツェンダ型導波路

Claims

基板上に入出力導波路と、該入出力導波路に接続される位相差付与導波路とがそれぞれ一つ以上形成されて成る光導波路素子本体部に金属板或いはヒータが接着され、光導波路素子本体部の応力や温度を制御する光導波路素子において、
導波路素子本体部の厚さをｄ、導波路素子本体部の端面と該端面に最も近い位相差付与導波路との間隔をｓとし、厚さｄが所定厚さｄ₀ に対してｄ＜ｄ₀ のとき、ｓ≧ｄとし、ｄ≧ｄ₀ 以上のときｓ≧ｄ₀ とするように光導波路素子本体部が形成されることを特徴とする光導波路素子。
上記所定厚さｄ₀ が１ｍｍである請求項１記載の光導波路素子。
上記光導波路本体部の上面に金属膜が形成される請求項１または２記載の光導波路素子。
上記光導波路素子本体部は、上記位相差付与導波路が非対称マッハツェンダ型導波路を形成するインターリーブ光合分波器である請求項１から３いずれかに記載の光導波路素子。
上記光導波路素子本体部は、上記位相差付与導波路が複数のアレイ導波路であり、該アレイ導波路の両端にはスラブ導波路が接続されるアレイ導波路型回折格子である請求項１から３いずれかに記載の光導波路素子。