JP2005321712A - 光可変減衰器 - Google Patents

Abstract

【課題】２段又は多段の直列接続構造を有する光可変減衰器において、各光可変減衰器本体の特性を揃え、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。
【解決手段】入力光を第一のＹ分岐導波路１５ａ（２０ａ）で分波しアーム導波路１６ａ、１６ｂ（２１ａ、２１ｂ）を経て第二のＹ分岐導波路１５ｂ（２０ｂ）で合波する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１６ａ、１６ｂ（２１ａ、２１ｂ）の一方又は両方のアーム導波路の上部に設けた薄膜ヒータ１７、２２とを有する光可変減衰器本体１−１、１−２を、直列に２段又は多段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の薄膜ヒータ１７、２２を２つ以上のヒータ片Ｈ１〜Ｈ３に分割し、該ヒータ片Ｈ１〜Ｈ３の使用個数及び電気的に接続するヒータ片を製造後に任意に選択的に変更し得るように構成する。
【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要求が高まりつつある。

図５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５に示す光可変減衰器は、石英基板５１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５７を形成することによって構成される。

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５１上にコア５２およびクラッド５３が形成されたもので、コア５２の上部の光導波路素子表面に金属薄膜ヒータ５７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。

マッハツェンダ干渉計は、２つのＹ分岐導波路５５ａ、５５ｂ間に接続されたアーム導波路５６ａ、５６ｂを有する光導波路素子５０の片方のアーム導波路５６ｂ上に金属薄膜ヒータ５７が設けられている。光導波路素子５０の両端にある直線導波路コア５８、５９の端面には、光ファイバ（図示せず）がそれぞれ接続されており、光の入出力を行うことができる。

この導波路型光可変減衰器の外部より金属薄膜ヒータ５７に電力を印加して片方のアーム導波路５６ｂを加熱し、両Ｙ分岐導波路５５ａ、５５ｂ間のアーム導波路５６ａ、５６ｂ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５６ａ、５６ｂ間に屈折率差を生じさせ、両アーム導波路５６ａ、５６ｂ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５７に印加する電力を調整することにより減衰量を調節することができる。

ところで、図５に示した従来の光可変減衰器は、金属薄膜ヒータ５７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４のように３０ｄＢ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を実際のＷＤＭ光通信用途に使用するためには、３０ｄＢ以上の高アッテネーション特性を制御できる光可変減衰器が必要となる場合がある。

そこで、従来技術を応用し、図３に示したように２つの光可変減衰器本体３０−１、３−２を直列接続（例えば、特許文献１参照）することで、理論上３０ｄＢ以上の高アッテネーション特性を有する光可変減衰器が実現可能となる。この場合、接続される光可変減衰器本体は、図２（ｂ）の如く互いに同一特性を有するように同じ光導波路構成のものを接続すればよい。図２（ａ）は、この２つの光可変減衰器本体を直列接続した構成におけるヒータ通電電力に対する減衰特性を示した図である。かかる直列接続の構成とすることにより、図２（ａ）に示したように３０ｄＢ以上の高アッテネーション特性を有する光可変減衰器の実現が期待できる。
特開２００３−５１３９号公報

しかしながら、上記直列接続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。

図６（ａ）に示すように、実際に試作した光可変減衰器の減衰特性は、３０ｄＢ程度のアッテネーション特性しか得られない場合があり、制御性が非常に悪いことが分かった。この原因を調査するため、個々の光可変減衰器本体のヒータ通電電力に対する減衰特性を調べてみると、図６（ｂ）に示したように、個々の特性にばらつきがあり、これが特性劣化の要因であることが分かった。このばらつきの原因としては、２つの光可変減衰器本体の間での、光導波路のコア幅、クラッド厚さ等ばらつき、およびヒータ膜厚、ヒータ抵抗等の寸法ばらつき等が複雑に作用しており、これを特定することは困難である。

この問題を解決するためには、２つの光可変減衰器本体を同一特性を有するように製造することが重要であるが、本構造では同一基板上に集積形成した構造であり、製造段階でこれを調整することは困難である。さらに、２つの光可変減衰器本体の特性を薄膜ヒータに通電する電力を独立に制御することで同一に調整することは可能であるが、制御系が複雑になり、消費電力も増加することから実用的ではない。

そこで本発明の目的は、上記課題を解決し、２段又は多段の直列接続構造を有する光可変減衰器において、各光可変減衰器本体の特性を揃え、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。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。

請求項１の発明に係る光可変減衰器は、入力光を第一のＹ分岐導波路で分波しアーム導波路を経て第二のＹ分岐導波路で合波する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又は両方のアーム導波路の上部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２段接続した光可変減衰器において、上記２段接続された光可変減衰器本体における少なくとも一方の光可変減衰器本体の薄膜ヒータを２つ以上のヒータ片に分割し、該ヒータ片の使用個数及び電気的に接続するヒータ片を製造後に任意に選択的に変更し得るように構成したことを特徴とする。

請求項２の発明に係る光可変減衰器は、入力光を第一のＹ分岐導波路で分波しアーム導波路を経て第二のＹ分岐導波路で合波する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又は両方のアーム導波路の上部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多段接続した光可変減衰器において、各光可変減衰器本体の薄膜ヒータを２つ以上のヒータ片に分割し、該ヒータ片の使用個数及び電気的に接続するヒータ片を製造後に任意に選択的に変更し得るように構成したことを特徴とする。

この請求項１及び２の発明は、次の形態の光可変減衰器を含む。すなわち、Ｙ分岐又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又は両方のアーム導波路の上部に設けたヒータとから成る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した光可変減衰器において、各光可変減衰器本体の薄膜ヒータを２つ以上のヒータ片に分割し、該ヒータ片の使用個数及び電気的に接続するヒータ片を製造後に任意に選択的に変更し得るように構成したことを特徴とする光可変減衰器である。

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、その入出カ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、この各光可変減衰器本体の薄膜ヒータを少なくとも２つ以上のヒータ片に分割した構成の光可変減衰器である。

本発明において、分割された薄膜ヒータのヒータ片はすべて同じサイズである必要はなく、例えば長手方向に寸法が変わっていてもよい。

この光可変減衰器においては、各光可変減衰器本体の分割された薄膜ヒータのヒータ片を任意に組み合わせて通電する。そして、多段接続された各光可変減衰器本体は互いに同特性となるように構成される。

請求項１又は２の発明によれば、２つ又は３つ以上の光可変減衰器本体を２段又は多段に直列接続した構造において、分割された薄膜ヒータ片の組み合わせを個々の光可変減衰器本体の減衰特性が同一になるように調整することで、製造上のばらつきがあっても、高アッテネーション特性を有する光可変減衰器を再現性よく実現することができる。

かかる効果は、上記各光可変減衰器本体が同じ基板上に集積形成されている場合に顕著に発揮される。すなわち、本発明においては、薄膜ヒータが複数のヒータ片に分割されているので、各光可変減衰器本体が同じ基板上に集積形成した場合の個々の光可変減衰器本体の特性の違いを、製造後において吸収し、同じ減衰特性にすることができる。従って、光可変減衰器の製造条件が緩やかになる。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の光可変減衰器において、上記薄膜ヒータがアーム導波路に沿った長手方向に同じサイズのヒータ片又は異なるサイズのヒータ片に分割されていることを特徴とする。薄膜ヒータは各光可変減衰器本体の減衰特性を同一にする目的で分割されるものであり、基本的にはアーム導波路に沿って長手方向に同じサイズのヒータ片に分割するが、事情によってはアーム導波路に沿って長手方向に異なるサイズのヒータ片に分割する。

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、各光可変減衰器本体の薄膜ヒータの分割されたヒータ片を、各光可変減衰器本体の減衰特性が同一になるように、任意に組み合わせて電気的に接続したことを特徴とする。かかる構成の光可変減衰器によれば、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、高アッテネーション特性を有する全体として一つの減衰特性を得ることができる。

本発明によれば、２段又は多段に直列接続した構成の導波路型光可変減衰器において、各光可変減衰器本体の薄膜ヒータの分割されたヒータ片を、各光可変減衰器本体の減衰特性が同一になるように、任意に組み合わせて電気的に接続することが可能である。このため、各光可変減衰器本体に製造上のばらつきがあっても、高アッテネーション特性を薄膜ヒータの調整のみで簡単に、且つ再現性よく得ることが可能で、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実現することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明の光可変減衰器を示す構造図である。

同図に示される光可変減衰器は、一つの石英基板１１上に集積形成された２つの光可変減衰器本体１−１、１−２を用いて構成されている。２つの光可変減衰器本体１−１、１−２は、同一石英基板１１上に直列に接続されて全体として一つの光可変減衰器として作用する。

各光可変減衰器本体１−１（あるいは１−２）は、２つのアーム導波路１６ａ、１６ｂ（あるいは２１ａ、２１ｂ）を有する２つのＹ分岐導波路１５ａ、１５ｂ（あるいは２０ａ、２０ｂ）から構成されるマッハツェンダ干渉計からなり、一方（両方でもよい）のアーム導波路に金属薄膜からなるヒータ１７（あるいは２２）が設けられている。すなわち、入力導波路１８からの入力光を第一のＹ分岐導波路１５ａで分波しアーム導波路１６ａ、１６ｂを経て第二のＹ分岐導波路１５ｂで合波する光導波路型マッハツェンダ干渉計（光可変減衰器本体１−１）と、これから出力される入力光を第一のＹ分岐導波路２０ａで分波しアーム導波路２１ａ、２１ｂを経て第二のＹ分岐導波路２０ｂで合波する光導波路型マッハツェンダ干渉計（光可変減衰器本体１−２）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１６ｂ、２１ｂの上部には薄膜ヒータ１７、２２が設けられている。

上記のように、２つの光可変減衰器本体１−１、１−２は直列に２段に縦続接続されており、そのアーム導波路１６ｂ、２１ｂ上の薄膜ヒータ１７、２２を通電加熱することにより、両アーム導波路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。

上記の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方法、又はその代わりに方向性結合器を用いる方法のいずれであってもよい。また、薄膜ヒータ１７、２２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１７、２２は、本発明に従い、少なくとも２つ以上のヒータ片（図１の例では、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の３つ）に分割されており、使用するヒータ片の数及び電気的に接続するヒータ片を任意に選択的に変更できる構造となっている。本実施形態の場合、３分割されたヒータ片Ｈ１〜Ｈ３同士は、使用する部分の接続部をワイヤボンディング２３により電気的に直列接続し、両端のヒータ部から通電する構造となっている。

上記方法により、接続する薄膜ヒータの数を調整することでヒータ抵抗値を可変させ、２つの光可変減衰器本体に通電する電圧等を任意に制御することができる。更に、形状または特性に異常のあるヒータ片は電気的に接続しないことで使用しない様にすることができる。また、分割されたヒータ片Ｈ１〜Ｈ３はすべて同じサイズである必要はなく、例えばアーム導波路の長手方向に寸法が変わっていてもよい。

次に、上記構造を有する光可変減衰器本体の減衰特性を互いに同一特性とするための方法について説明する。始めに、作製した２段接続型の光可変減衰器本体において、一方の光可変減衰器本体１−１の分割された薄膜ヒータ１７のヒータ片Ｈ１〜Ｈ３をすべてワイヤボンディング２３により直列に接続する。もう一方の光可変減衰器本体１−２も同様に直列接続する。この状態で、２段接続型の光可変減衰器の減衰特性を測定する。

もし、図６（ａ）に示したように、２段接続の状態で所望の高アッテネーション特性が得られない場合には、どちらか一方の光可変減衰器本体の薄膜ヒータ１７（あるいは２２）の使用しているヒータ片Ｈ１〜Ｈ３の数を減らし、再度同様の減衰特性を測定し、所望のアッテネーション（例えば図２のような）が得られるまで同様の操作を行う。

実際に作製した２段接続型光可変減衰器において、図２（ａ）のような高アッテネーション特性を実現できた素子について、素子を２つに分割し、各光可変減衰器本体の減衰特性を測定すると、図２（ｂ）のように、２つの光可変減衰器本体の減衰特性はほぼ一致することが分かり、本方法が有効であることが実証された。

以上の方法によれば、作製した光可変減衰器の２段の減衰特性に製造ばらつきがあっても、上記方法による薄膜ヒータの抵抗値調整のみで、所望の減衰特性を得ることができる。

従来、所望の特性を得られない場合には、光回路マスクの再設計から行う必要があり非常に開発・作製期間に長時間を要したが、本方法によれば、仮に初期特性で所望の減衰特性がえら得ない場合でも、光回路の変更無しに、薄膜ヒータの調整のみで、減衰特性を改善できる簡便かつ有効な方法である。

また、光回路自体に問題が無い場合でも、実際の導波路作製プロセスにはばらつきがあるため、２段接続型光可変減衰器のような複雑な構成では、素子の歩留が極端に悪くなっていた。本発明の直列接続型光可変減衰器を用いれば、このような素子間の特性ばらつきを個々に調整することができ、素子取得数の高歩留化が期待できる。

本発明の光可変減衰器を示す構造図である。 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２段直列接続構造の光可変減衰器を示す構造図である。 従来の光可変減衰器の減衰特性を示した図である。 従来の光可変減衰器の構造を示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 従来の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。

符号の説明

１−１、１−２ 光可変減衰器本体
１１ 石英基板
１２ コア
１３ クラッド
１５ａ、１５ｂ Ｙ分岐導波路
１６ａ、１６ｂ アーム導波路
１７ 薄膜ヒータ
１８ 入力導波路
１９ 出力導波路
２０ａ、２０ｂ Ｙ分岐導波路
２１ａ、２１ｂ アーム導波路
２２ 薄膜ヒータ
２３ ワイヤボンディング
Ｈ１〜Ｈ３ ヒータ片

Claims (4)

1. 入力光を第一のＹ分岐導波路で分波しアーム導波路を経て第二のＹ分岐導波路で合波する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又は両方のアーム導波路の上部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２段接続した光可変減衰器において、
   上記２段接続された光可変減衰器本体における少なくとも一方の光可変減衰器本体の薄膜ヒータを２つ以上のヒータ片に分割し、該ヒータ片の使用個数及び電気的に接続する蒸気ヒータ片を製造後に任意に選択的に変更し得るように構成したことを特徴とする光可変減衰器。
2. 入力光を第一のＹ分岐導波路で分波しアーム導波路を経て第二のＹ分岐導波路で合波する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又は両方のアーム導波路の上部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多段接続した光可変減衰器において、
   各光可変減衰器本体の薄膜ヒータを２つ以上のヒータ片に分割し、該ヒータ片の使用個数及び電気的に接続する蒸気ヒータ片を製造後に任意に選択的に変更し得るように構成したことを特徴とする光可変減衰器。
3. 請求項１又は２記載の光可変減衰器において、
   上記薄膜ヒータがアーム導波路に沿った長手方向に同じサイズのヒータ片又は異なるサイズのヒータ片に分割されている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、
   各光可変減衰器本体の薄膜ヒータの分割されたヒータ片を、各光可変減衰器本体の減衰特性が同一になるように、任意に組み合わせて電気的に接続したことを特徴とする光可変減衰器。

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