JP2005321711A - 光可変減衰器 - Google Patents

Abstract

【課題】直列接続された光可変減衰器において、光ファイバ接続によるコスト増加を抑え、低消費電力で高アッテネーション特性を有する光可変減衰器とすること。
【解決手段】光導波路型マッハツェンダ干渉計と薄膜ヒータ１５による位相変調器を用いて構成される光可変減衰器本体１２、１４を直列に接続した光可変減衰器において、上記光可変減衰器本体１２、１４を直列に接続する間に反射部材５を設け、一方の光可変減衰器本体１２から出力された光を上記反射部材５で反射させて他方の光可変減衰器本体１４に入力させる構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバ通信に用いるのに適した光可変減衰器に係わり、その中でも直列に接続された導波路型光可変減衰器に関するものである。

近年、光伝送容量の増加を図る有効な方式である波長多重伝送システム（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が世界中で導入されている。これら長距離・大容量の光伝送システムにおいては、信号対雑音比を向上させるため、ラマンアンプと従来のエルビウムドープ光アンプ（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を組み合わせた新規な光アンプの実現と共に、伝送路全体にわたって増幅特性を均一に制御する光増幅技術が不可欠となる。最近、このような用途に光可変減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）やダイナミック利得等化器などの新規デバイスの使用に向けた検討が進められている。例えば、光可変減衰器は、ＷＤＭ光通信においてＥＤＦＡの出力レベルを一定にフィードバック制御することに利用される。

上記伝送システムにおいては、光信号の波長毎に利得分布を制御する必要があり、使用する波長数を１つのパッケージに集積化した光可変減衰器のデバイス化の要求が高まりつつある。

図４は石英基板上に形成した導波路型光可変減衰器の従来例を示す図である。

図４に示す光可変減衰器は、石英基板４１上に形成された光導波路でマッハツェンダ干渉計を形成するとともに、このマッハツェンダ干渉計内の光導波路上に薄膜ヒータ５５を形成することによって個々の光可変減衰器本体が構成され、一つの石英基板４１上に集積形成された２つの光可変減衰器本体５２、５４を用いて構成されている。２つの光可変減衰器本体５２、５４は同一石英基板４１上に配置され、２つの光可変減衰器本体を光導波路の両端に接続された光ファイバ５６、５７を融着接続部５８で融着接続することにより、全体として一つの光可変減衰器として作用する。

光導波路は、スパッタリング法や火炎堆積法による薄膜形成プロセスおよびＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）などのエッチングプロセスを利用して、石英基板４１上にコア４２及びクラッド４３が形成されたもので、コア４２の上部の光導波路素子表面に金属薄膜ヒータ５５が形成されている。

次に、この種の導波路型光可変減衰器における光減衰方法について説明する。

各光可変減衰器本体５２（又は５４）のマッハツェンダ干渉計は、２つのＹ分岐導波路５１ａ、５１ｂ（又は５３ａ、５３ｂ）間に接続されたアーム導波路６０ａ、６０ｂ（又は７０ａ、７０ｂ）を有する光導波路素子５０の片方のアーム導波路６０ｂ（又は７０ａ）上に金属薄膜ヒータ５５が設けられている。薄膜ヒータ５５は２つの光可変減衰器本体５２、５４の片方のアーム導波路６０ｂ、７０ａ上を覆うように配置されており、薄膜ヒータ５５に通電加熱することにより、２つの光可変減衰器本体５２、５４は同時に駆動される。光導波路素子５０の両端にある直線導波路６１、６２、６３、６４の端面には、光ファイバがそれぞれ接続されており、そのうち２つの光可変減衰器本体５２、５４を接続する光ファイバ５６、５７は、融着接続部５８で接続されている。

この導波路型光可変減衰器の外部より金属薄膜ヒータ５５に電力を印加して、２つの光可変減衰器本体５２、５４のそれぞれの片方のアーム導波路６０ｂ、７０ａを加熱し、両Ｙ分岐導波路５１ａ、５１ｂ（および５３ａ、５３ｂ）間のアーム導波路６０ａ、６０ｂ間（又は７０ａ、７０ｂ間）に温度差を発生させる。この温度差によって両アーム導波路６０ａ、６０ｂ間（又は７０ａ、７０ｂ間）に屈折率差を生じさせ、両アーム導波路６０ａ、６０ｂ（又は７０ａ、７０ｂ）を伝搬する信号光間に位相差を与える。さらに位相差を有する信号光同士をいずれか一方のＹ分岐導波路で合流させることにより、結合率を下げて信号光の光強度を減衰させることができる。また、この光回路は、金属薄膜ヒータ５５に印加する電力を調整することにより減衰量を調整することができ、１つの光可変減衰器本体５２（または５４）の減衰特性は図３に示したようなものとなり、印加電力２００ｍＷで３０ｄＢ程度のアッテネーション制御が可能である。

また、２つの光可変減衰器本体を接続した上記構成の光可変減衰器において、全体として得られる減衰特性は、図２（ｂ）に示すそれぞれの光可変減衰器本体５２、５４の特性の和として得られ、理想的には図２（ａ）のような特性となる。本構成によれば、１つの光可変減衰器に印加する電力２００ｍＷで５０ｄＢ程度の高アッテネーション特性を実現することができ、実際のＷＤＭ通信用途として使用することが可能である。

なお、上記の他、光導波路が１／２波長板を介して連結された複数のマッハツェンダ光干渉計回路と、前記マッハツェンダ光干渉計回路の光導波路に設けられたヒータ電極とを具備する導波路型光可変減衰器なども知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１３３３６４号公報

ところで、図４に示した従来の光可変減衰器は、金属薄膜ヒータ５５に通電する電力を調整することにより光減衰量を調節することができ、ヒータ通電電力に対する減衰特性は、図２（ａ）のように５０ｄＢ程度までアッテネーション制御を行うことが可能である。

しかしながら、上記構造からなる光可変減衰器には、以下の問題があることが分かった。従来の光可変減衰器では、２つの光可変減衰器本体を光ファイバにより接続する必要があり、そのための接続作業は多大な工数を要する。また、実際のＷＤＭ通信用途に使用する場合には、従来の光可変減衰器を多チャンネル集積した構成で使用する場合が多く、上記光ファイバ接続作業はコストを増大させる要因となる。また、接続した光ファイバを収納するための特別なパッケージ構造が必要とされ、実用的ではない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、２段又は多段に直列接続された光可変減衰器において、光ファイバ接続によるコスト増加を抑え、低消費電力で高アッテネーション特性を有する光可変減衰器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は次のような構成にしたことにある。

請求項１の発明に係る光可変減衰器は、光導波路型マッハツェンダ干渉計と薄膜ヒータによる位相変調器を用いて構成される光可変減衰器本体を直列に接続した光可変減衰器において、上記光可変減衰器本体を直列に接続する間に反射部材を設け、一方の光可変減衰器本体から出力された信号光を上記反射部材で反射させて他方の光可変減衰器本体に入力させる構成としたことを特徴とする。

この請求項１の発明は、次の形態の光可変減衰器を含む。すなわち、Ｙ分岐または方向性結合器を用いて構成した光導波路型マッハツェンダ干渉計と、該マッハツェンダ干渉計のアーム導波路の一方または両方のアーム導波路に設けた薄膜ヒータとを有する光可変減衰器本体を直列に接続した光可変減衰器において、上記光可変減衰器本体を直列に接続する間に反射部材を設け、一方の光可変減衰器本体から出力された信号光を上記反射部材で反射させて他方の光可変減衰器本体に入力させる構成としたことを特徴とする光可変減衰器である。より詳しくは、Ｙ分岐または方向性結合器を用いて構成したマッハツェンダ干渉計の導波路素子の一方または両方のアーム導波路に金属薄膜からなるヒータを設け、少なくとも一方のヒータを通電加熱することにより両アーム導波路の屈折率を変化させ、両アーム導波路を伝搬する信号光に位相差を発生させ、信号光の合流時の干渉により光強度を減衰させる導波路型光可変減衰器本体を備え、その入出力ポートにそれぞれ光ファイバを接続して使用される導波路型光可変減衰器であって、複数の光可変減衰器本体を直列に２段又は多段に接続するとともに、各光可変減衰器本体の薄膜ヒータを通電し、各光可変減衰器本体を互いに連動させることにより全体として一つの減衰特性を得るように構成し、さらに一方の光可変減衰器本体から出力された信号光を反射部材により反射させて他方の光可変減衰器本体に入力させる構成とした光可変減衰器である。

請求項２の発明は、請求項１記載の光可変減衰器において、上記直列に接続される光可変減衰器本体を石英基板上に互いに並置して設け、その並置された光可変減衰器本体の導波路とクロスする形で溝を設け、該溝の内面に上記反射部材を構成したことを特徴とする。

上記反射部材は、石英基板上に設けたコア及びクラッドに、石英基板に達するまでの深さで設けた溝により形成される。

請求項３の発明は、請求項２記載の光可変減衰器において、上記反射部材を構成する溝内に樹脂（例えばシリコン、ポリマなど）を充填したことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の光可変減衰器において、上記反射部材により反射させる部分の材質が信号光に対して反射率の高い材質（例えばＡｌまたはＡｇ）からなることを特徴とする。

本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。

本発明では、導波路型光可変減衰器本体が直列に２段又は多段に接続された構成の導波路型光可変減衰器において、上記光可変減衰器本体を直列に接続する間に反射部材を設け、一方の光可変減衰器本体から出力された光を上記反射部材で反射させて他方の光可変減衰器本体に入力させる構成としたので、従来の光ファイバ接続のような素子作製後の特別な作業を追加的に必要とすることなく、従来の素子を作製するプロセスのみで、高アッテネーション特性を有する光可変減衰器を得ることが可能であり、１つの光導波路素子上に多チャンネル集積した光可変減衰器の提供を容易に実現することができる。

また、本発明によれば、溝構造の反射部材によって反射させることにより、光の進行方向をコンパクトに変えることができるため、素子サイズを小型にすることができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は本実施形態に係る光可変減衰器の構造を示した図である。

図示するように、同一の石英基板１上に２つの光可変減衰器本体１２、１４が並置されており、一方の光可変減衰器本体１２の出力ポートと他方の光可変減衰器本体１４の入力ポート間を反射構造部１６で接続し、全体として一つの光可変減衰器として作用する構成となっている。

この光可変減衰器本体１２、１４は、Ｙ分岐または方向性結合器を用いて構成したマッハツェンダ干渉計と、該マッハツェンダ干渉計のアーム導波路の一方のアーム導波路に設けた金属薄膜からなるヒータ１５を有する。すなわち、入力光を第一のＹ分岐導波路１１ａで分波しアーム導波路２０ａ、２０ｂを経て第二のＹ分岐導波路１１ｂで合波する光導波路型マッハツェンダ干渉計と、入力光を第一のＹ分岐導波路１３ｂで分波しアーム導波路３０ａ、３０ｂを経て第二のＹ分岐導波路１３ａで合波する光導波路型マッハツェンダ干渉計の２つを有し、各マッハツェンダ干渉計の一方のアーム導波路２０ｂ、３０ａの上部に設けた薄膜ヒータ１５を備えている。そして、この２つの光可変減衰器本体１２、１４は、直列に２段に縦続接続されており、その縦続接続する間に反射部材５を設け、一方の光可変減衰器本体１２から出力された信号光を上記反射部材５で反射させて他方の光可変減衰器本体１４に入力させる構成となっている。

具体的には、上記直列に２段接続される光可変減衰器本体１２、１４は石英基板１上に互いに並置して設けられ、その並置された光可変減衰器本体１２、１４の幹部導波路２２、２３、つまりＹ分岐導波路１１ｂ、１３ｂの直線導波路部分とクロスする形で、溝１７が、石英基板に形成した導波路コア２を切り欠く形で形成され、この溝１７の内面により上記反射部材５が形成されている。この溝１７の内面は、一方の光可変減衰器本体１２から出力された信号光を反射させて他方の光可変減衰器本体１４に入力させるミラーとして機能するようにするため、所定反射角を得る曲率の曲面（凹面）に形成されており、且つその凹面には反射率の高い材質であるＡｌまたはＡｇの膜が付されている。

上記構成によれば、２つの光可変減衰器本体１２、１４を接続した構造において、従来の光ファイバ接続のような素子作製後の特別な作業を必要することなく、ミラー反射により直列に２段接続された光可変減衰器本体１２、１４を同一基板上に集積した構成とすることで、光ファイバにより接続したのと同じ縦続接続の作用を営ませることができ、高アッテネーション特性を有する光可変減衰器を低コスト、且つ再現性よく実現することができる。

また、ミラー構造によって反射させることから、光の進行方向をコンパクトに変えることができ、このため素子サイズを小さくすることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

本実施例の光可変減衰器を図１を用いて説明する。同図に示すように、本実施例の光可変減衰器は、一つの石英基板１上に集積形成された２つの光可変減衰器本体１２、１４を用いて構成されている。２つの光可変減衰器本体１２、１４は同一石英基板１上に互いに横に並んで配置されており、反射構造部１６で２つの光可変減衰器本体１２、１４の直線導波路部分を接続し、全体として一つの光可変減衰器として作用する構成となっている。

各光可変減衰器本体１２（又は１４）は、既に述べたように２つのＹ分岐導波路１１ａ、１１ｂ（又は１３ａ、１３ｂ）と、その間に設けた２つのアーム導波路２０ａ、２０ｂ（又は３０ａ、３０ｂ）から構成されるマッハツェンダ干渉計からなり、そのアーム導波路の一方（両方でもよい）のアーム導波路２０ｂ、３０ａに金属薄膜からなるヒータ１５を設けた構成であり、その薄膜ヒータ１５を通電加熱することにより両アーム導波路２０ａ、２０ｂ間（又は３０ａ、３０ｂ間）に温度差を発生させ、温度上昇に起因する熱光学効果によってアーム導波路の屈折率を変化させ、両アーム導波路を伝搬する信号光に位相差を発生させて合流時の干渉により光強度を減衰させる。

マッハツェンダ干渉計を構成する方法としては、Ｙ分岐導波路を用いる代わりに、方向性結合器を用いてもよい。また、薄膜ヒータ１５は、光導波路を伝播する光の位相を熱光学的に制御する位相変調器として機能する。

薄膜ヒータへの通電方式としては、通電電力を直接可変制御する方式、通電電力を電圧によって可変制御する方式、あるいは通電電力を電流によって可変制御する方式などがある。

ここで、薄膜ヒータ１５は２つの光可変減衰器本体１２、１４の片方のアーム導波路２０ｂ、３０ａ上を覆うように配置されており、薄膜ヒータ１５に通電加熱することにより、２つの光可変減衰器本体１２、１４は同時に駆動される。

反射構造部１６の形成方法は以下の通りである。

スパッタリング法や薄膜形成プロセス及びＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのエッチングプロセスにより、石英基板１上に導波路コア２及びクラッド４を形成する。その後、溝１７を形成するためのエッチングを行い、石英基板に達するまでの溝１７を形成する。溝１７の形状は、所定の反射角となるように所定の曲率及び所定の幅１６ａを有するものとする。溝１７を形成した後、入力光が入射する溝面と対向する溝面にＡｌ，Ａｇなど金属膜を蒸着して、反射面（反射部材５）を形成する。

入力光は光可変減衰器本体１２で所定の減衰量となるように制御され、反射構造部１６の内部を経て、反射構造部１６の片方の端面（溝内面）上に形成された反射部材５により反射され、その反射光が、もう一方の光可変減衰器本体１４に入射されるような光経路を有している。反射部材５は、波長１．５μｍ帯の信号光に対して反射率の高いＡｌあるいはＡｇ等の膜が形成された構造となっている。

また、反射構造部１６の溝１７内に樹脂（シリコン、ポリマ）を充填し、反射構造部１６を伝搬する信号光の減衰量（回折損失）を低減することも可能である。なお、充填する樹脂の屈折率に応じて、反射構造部１６は、その曲率及び幅１６ａを決定する。

以上の方法によれば、同一基板上に２つの光可変減衰器を集積させることは勿論、反射部材を従来の光可変減衰器を製作するプロセスと同等に形成することができ、作製後の光ファイバ接続等の作業が不要となり、コスト増大を抑えることが可能である。

また、図２（ｂ）に示す特性をもつ２つの光可変減衰器本体（ＶＯＡ１、ＶＯＡ２）を直列接続構造とすることで得られる特性は、図２（ａ）に示すような５０ｄＢ程度の高アッテネーション特性を実現することができる。

本発明の２段直列接続構造の光可変減衰器を示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 光可変減衰器の特性を示したもので、（ａ）は２段直列接続構造の場合の減衰特性を示した図、（ｂ）は各光可変減衰器本体の減衰特性を示した図である。 従来の光可変減衰器の減衰特性を示した図である。 従来の２段直列接続構造の光可変減衰器を示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

符号の説明

１ 石英基板
２ コア
３ クラッド
４ 薄膜ヒータ
５ 反射部材
１１ａ、１１ｂ Ｙ分岐導波路
１２ 光可変減衰器本体
１３ａ、１３ｂ Ｙ分岐導波路
１４ 光可変減衰器本体
１５ 薄膜ヒータ
１６ 反射構造部
１７ 溝
２２、２３ 幹部導波路

Claims (4)

1. 光導波路型マッハツェンダ干渉計と薄膜ヒータによる位相変調器を用いて構成される光可変減衰器本体を直列に接続した光可変減衰器において、
   上記光可変減衰器本体を直列に接続する間に反射部材を設け、一方の光可変減衰器本体から出力された信号光を上記反射部材で反射させて他方の光可変減衰器本体に入力させる構成としたことを特徴とする光可変減衰器。
2. 請求項１記載の光可変減衰器において、
   上記直列に接続される光可変減衰器本体を石英基板上に互いに並置して設け、その並置された光可変減衰器本体の導波路とクロスする形で溝を設け、該溝の内面に上記反射部材を構成したことを特徴とする光可変減衰器。
3. 請求項２記載の光可変減衰器において、
   上記反射部材を構成する溝内に樹脂を充填したことを特徴とする光可変減衰器。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光可変減衰器において、
   上記反射部材の材質が信号光に対して反射率の高い材質からなることを特徴とする光可変減衰器。

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