JP2005345851A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 光導波路素子のサイズを小型化できる。
【解決手段】 基板１４上にマッハツェンダ型の可変光減衰器１１，１２を少なくとも一対に並列に近接させて形成し、その可変光減衰器１１，１２の同一側をそれぞれ入出力端２３，３３とし、上記可変光減衰器１１，１２の他側に反射面３０を設け、その反射面３０で可変光減衰器１１，１２を結合させて２段に縦続接続したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信の分野において使用される光導波路素子に係り、特に、熱光学効果を利用した光減衰器に関するものである。

光通信の分野においては、複数の信号を別々の波長の光にのせ、各波長の光を多重化して一本の光ファイバで伝送し、情報容量を拡大する波長分割多重方式（ＷＤＭ）による光伝送が実用化されている。波長分割多重方式で使用される光導波路素子において、各波長のレベル調整、光受信モジュールの入力レベルの調整、或いはＯＡＤＭ（光アッド／ドロップ多重装置：Optical Add/Drop Multiplexer）等のレベル調整等に必要な可変光減衰器（ＶＯＡ：Variable Optical Attenuator ）が重要なキーデバイスとなってくる。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、光導波路素子５０は、一つの基板６１上に複数（図では４列）の可変光減衰器５１が並列（アレイ状）に形成されてなるものである。

可変光減衰器５１は、同一基板６１上に並列に配置された２つの可変光減衰器５２ａ，５２ｂとが光ファイバ６５を介して縦続（カスケード）接続されたものである。

各可変光減衰器５２ａ（５２ｂ）は、基板６１上にバッファ層６２を介して形成されたマッハツェンダ型光導波路を備え、そのマッハツェンダ型光導波路は、入力導波路５４ａ（５４ｂ）と、出力導波路５５ａ（５５ｂ）と、それら導波路５４ａ，５５ａ間に接続された２本の分岐導波路５６ａ，５７ａ（５６ｂ，５７ｂ）とで構成される。クラッド６３表面には位相シフタとなる薄膜ヒータ５８が、２本の分岐導波路５７ａ，５７ｂの上方に設けられている。可変光減衰器５２ａ入力導波路５４ａ及び可変光減衰器５２ｂの出力導波路５４ｂには、外部素子と信号光Ｌの入出力を行うための光ファイバ６４，６６がそれぞれ接続され、出力導波路５５ａと入力導波路５５ｂとは光ファイバ６５で接続されている。

可変光減衰器５２ａは、薄膜ヒータ５８に電圧を印加することで一方の分岐導波路５７ａが加熱され、分岐導波路５７ａの屈折率を変化させる。これにより、両分岐導波路５６ａ，５７ａを伝搬する信号光Ｌは位相差を有し、信号光Ｌが合流する際、光干渉により減衰される。さらに、その信号光Ｌは、２段目の光可変減衰器５２ｂにおいても同様に減衰され、可変光減衰器５２ａ，５２ｂを多段に縦続接続することにより、最大光減衰量を大きくすることができる。このような熱光学効果型の可変光減衰器５１は、可動部分が無いため、高信頼性が期待できる。

また、図６に示すように、光導波路素子７０は、２つの可変光減衰器５２ａ，５２ｂが直線的に配置され、１段目の可変光減衰器５２の出力導波路５５ａと２段目の可変光減衰器の可変光減衰器５２ｂの入力導波路５４ｂとが縦続接続された可変光減衰器７１を複数並列に配置したものである。

図５及び図６に示した光導波路素子は、可変光減衰器を縦続接続することにより４０ｄＢといった大きい減衰利得の範囲を実現している。

光の強度や位相を制御する光導波路素子には、方向性結合器に反射膜を設けた光路反転導波路（例えば、特許文献１参照）や、光導波路の分岐部に溝を形成して、その溝に多層膜を設け、光路の切り換えを行う光スイッチがある（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−２１１６号公報 特開平１０−３００９５６号公報

可変光減衰器は、高密度波長分割多重通信で使用されることが多く、多数のチャネルを減衰させるため、可変光減衰器の集積化やアレイ化の要望がある。また、光可変減衰器を波長フィルタや光スイッチ等と集積化して、一つのモジュールとした集積型光導波路素子開発の要望があり、可変光減衰器等の光導波路素子の小型化が急務となっている。

しかしながら、図５或いは図６に示した、光ファイバや光導波路で直線的に縦続接続した可変光減衰器は、素子サイズの大型化やファイバ引き回しによるスペースの確保といった問題があり、これらの可変減衰器を集積したモジュールの小型化は困難である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型化した可変光減衰器等の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、基板上にマッハツェンダ型の可変光減衰器を少なくとも一対に並列に近接させて形成し、その可変光減衰器の同一側をそれぞれ入出力端とし、上記可変光減衰器の他側に反射面を形成し、その反射面で上記可変光減衰器を結合させて２段に縦続接続する光導波路素子である。

請求項２の発明は、上記可変光減衰器は、入力導波路と、出力導波路と、それら入出力導波路間に接続される一対の分岐導波路と、いずれか一方の分岐導波路上方に形成される薄膜ヒータとで構成される光導波路素子である。

請求項３の発明は、一方の上記可変光減衰器から出力された信号光が、上記反射面で全反射して他方の上記可変光減衰器に入力されるべく、一方の可変光減衰器の出力導波路と他方のマッハツェンダ型可変光減衰器の入力導波路とを上記反射面に対して同じ角度で結合させた光導波路素子である。

請求項４の発明は、上記反射面は、金属膜或いは全反射多層膜を基板端面に設けて形成される光導波路素子である。

請求項５の発明は、上記反射面は、出入力導波路を結合させた端面に細溝を形成し、その細溝に多層膜フィルタを挿入して形成される光導波路素子である。

本発明によれば、光導波路素子のサイズを小型化できるといった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。

本実施の形態では、光導波路素子として光減衰器について説明する。

図１（ａ）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１（ｂ）は１Ｂ−１Ｂ線断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る光導波路素子１０は、マッハツェンダ型の可変光減衰器１１，１２が２段に縦続接続された縦続接続可変光減衰器１３を、同一基板１４上に複数個（図では４つ）並列に集積したものである。

縦続接続可変光減衰器１３は、基板１４上にバッファ層（下部クラッド）１５が形成され、そのバッファ層１５上にコア（光導波路）が形成され、そのコアを覆うクラッド（上部クラッド）１６が形成され、クラッド１６表面に薄膜ヒータ１７となる金属膜が形成されている。

図中上側の１段目の可変光減衰器（第１光減衰器）１１は、入力端２３から延出する入力導波路２１と、２段目の可変光減衰器（第２光減衰器）１２に接続される出力導波路２２とが形成される。その入出力導波路２１，２２間には、一対の分岐導波路２６，２７がそれぞれ入出力導波路２１，２２からＹ字型に分岐するように分岐部２４，２５で接続され、これら導波路２１，２２，２６，２７は、所謂マッハツェンダ型導波路を形成している。２本の分岐導波路２６，２７のうち、いずれか一方の分岐導波路（図中下側）２７上方のクラッド１６表面には、分岐導波路２７の温度を制御する薄膜ヒータ１７が設けられている。薄膜ヒータ１７は、クラッド１６表面に設けた電極（図示せず）に接続され、電極を介して電源（図示せず）に接続される。

同様に、図中下側の第２光減衰器１２も、第１光減衰器１１の出力導波路２２に接続される入力導波路３１と、出力端３３から延出形成される出力導波路３２と、それら入出力導波路３１，３２に分岐部３４，３５で分岐接続された一対の分岐導波路３６，３７とで構成されるマッハツェンダ型光導波路と、分岐導波路３７（図中上側）の上方に設けられる薄膜ヒータ１７とからなる。

この２つの可変光減衰器１１，１２は近接して並列に配置されている。その際、各可変光減衰器１１，１２の薄膜ヒータ１７は、それぞれ互いに内側の分岐導波路２７，３７上方に設けられた一体型のものとした。

第１光減衰器１１の入力導波路２１と第２光減衰器１２の出力導波路３２は、光導波路素子１０の一側（図中左側）の端面１８まで延出して、入出力導波路２１、３２の端部が入力端２３及び出力端３３となっている。各入出力端２３，３３には光導波路素子１０と信号光Ｌの入出力を行う光伝送路が接続されている。光伝送路は光ファイバや光導波路等が挙げられ、本実施の形態では、入出力端２３，３３に各々入力用と出力用の光ファイバ３８，３９がそれぞれ接続されている。

一方、各可変光減衰器１１，１２の他側の出入力導波路２２，３１は、入出力端２３，３３のある端面１８とは反対側の端面１９で結合されており、その端面１９には反射膜２９が接して設けられている。より詳細には、図２に示すように、第１光減衰器１１から出力される光が第２光減衰器１２に入力されるべく、第１光減衰器１１の出力導波路２２と第２光減衰器１２の入力導波路３１が共に、全反射条件を満たす同じ角度で反射膜２９に面して結合している。それら導波路２２，３１同士が結合された端面は研磨され、その端面に反射膜２９が設けられて反射面３０が形成されており、反射面３０での反射率は高く、信号光Ｌの反射による損失を非常に小さくしている。

反射膜２９は、アルミニウム等の反射率の高い金属膜や、誘電体で形成された全反射多層膜等が挙げられる。金属膜は基板端面１９への蒸着により設けられ、全反射多層膜は基板端面１９に樹脂接着されて設けられる。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

第１光減衰器１１では、入力用の光ファイバ３８から入力され、入力導波路２１を伝搬した信号光Ｌが、上流側の分岐部２４で等パワーに分配されて、それぞれ分岐導波路２６，２７を伝搬し、下流側の分岐部２５で合流して出力導波路２２を伝搬する。

このとき、薄膜ヒータ１７に電圧を印加しない場合、信号光Ｌは同位相で下流側の分岐部２５に合流するため、信号光Ｌは放射することなく合成され、低損失で出力導波路２２に導かれる。

一方、薄膜ヒータ１７に電圧（電流）を印加した場合、薄膜ヒータ１７での消費電力に応じて、薄膜ヒータ１７の下方にある分岐導波路２７の温度が変化し、熱光学効果により分岐導波路２７の屈折率（光路長）が変化する。それに応じて、その分岐導波路２７を伝搬する信号光Ｌの位相が変化し、他方の分岐導波路２６を伝搬する信号光Ｌとの間に位相差が生じる。下流側の分岐部２５で合成される信号光Ｌに位相差が生じると、その位相差に応じて信号光Ｌの光強度が減衰される。すなわち、薄膜ヒータ１７に印加する電圧の大きさで信号光Ｌの減衰量を調整することができる。

第１光減衰器１１で減衰された信号光Ｌは、出力導波路２２を伝搬して、反射面３０に入射する。出力導波路２２は、全反射条件を満たす角度で入射されるべく形成されており、反射面３０は研磨されて反射膜２９が接しているので、信号光Ｌは反射面３０で全反射し、非常に低損失で第２光減衰器１２の入力導波路３１へ伝搬する。

第２光減衰器１２を伝搬する信号光Ｌは、第１光減衰器１１のときと同様に、薄膜ヒータ１７によって、所望の光強度となるよう減衰されて出力導波路３２を伝搬して、出力端３３から出力用の光ファイバ３８に出力される。

本実施の形態の光導波路素子１０は、２つの可変光減衰器１１，１２を並列に配置して、出入力導波路２２，３１を反射面３０で結合することで２段に縦続接続したものであるので、図６に示したような、可変光減衰器５２ａ，５２ｂ同士を直線的に配置して縦続接続した光導波路素子７０よりも、素子サイズを小さくすることができる。

また、図５に示したような、光ファイバ６５でループバックさせて２つ可変光減衰器５２ａ，５２ｂを縦続接続した光導波路素子５０と比較して、光ファイバの引き回しを行う必要がなく、光導波路素子を組み込むモジュール内のスペースを有効活用することができる。

また、光導波路素子１０は、入出力端２３，３３が同じ端面１８に形成されているので、入力用及び出力用の光ファイバ３８，３９が一側の端面１８に集約され、従来の両端に光ファイバ等が接続される光導波路素子に比べて、光ファイバを接着する工程が半分にすることができるという利点もある。さらには、光ファイバ３８，３９が一側の端面１８のみに接続されることにより小型パッケージへの集積化も容易になる。

本実施の形態の光導波路素子１０は、第１及び第２光減衰器１１，１２の薄膜ヒータ１７を一体に形成して、２つの可変光減衰器１１，１２を駆動させるので、可変減衰器毎に薄膜ヒータを設けた縦続接続可変光減衰器に比べて消費電力が半分になる効果を有する。

次に、本発明に係る他の実施の形態について説明する。

図３は本発明に係る光導波路素子の好適な他の実施の形態を示した平面図である。

図３に示すように、本実施の形態の光導波路素子４０の基本的な構成部分は、上述した図１の光導波路素子１０とほぼ同様であり、同一構成部分には、図１の場合と同一の符号を付してあるが、反射膜２９を素子の端面１８に設ける代わりに、光導波路の端面に接するように細溝４１を形成して、その細溝４１に多層膜フィルタ４２を挿入した点において異なる。

より詳細には、第１光減衰器１１の出力導波路２２と、第２光減衰器１２の入力導波路３１とが結合する結合部４４に細溝４１が形成される。細溝４１の壁面には結合された出入力導波路２２，３１の端面が臨み、細溝４１に誘電体の多層膜フィルタ４２を挿入することで、細溝４１の壁に多層膜フィルタ４２が当接し、反射面４３が形成される。

本実施の形態の光導波路素子４０は、前実施の形態の光導波路素子１０と同様の作用効果を有する。さらに、この光導波路素子４０を製造する際に、ダイシングソウ等の切削手段による細溝４１の形成と多層膜反射膜フィルタ４２の挿入という工程が増えるものの、図１に示した光導波路素子１０のように、端面１９を研磨して反射位置の微調整をする必要がないといった利点を有する。

また、本実施の形態では、２段に縦続接続した可変光減衰器を４つ並列に配置した４連アレイ型の可変光減衰器について説明したが、可変光減衰器の縦続接続数やアレイ数は、これに限らず、より多数の光導波路素子にも有効である。

また、光導波路素子の各可変光減衰器において、薄膜ヒータを可変光減衰器毎に形成すれば、各光減衰器毎に信号光Ｌの減衰量を調整することができる。

各可変光減衰器１１，１２の分岐部２４，２５，３４，３５は、Ｙ字型の分岐部に限らず、図４（ａ）に示すように、分岐部をＭＭＩ（Multi Mode Interference ）カプラ４７で形成してもよく、図４（ｂ）に示すように、分岐部を方向性結合器４８で形成してもよい。

さらに、図４（ａ）或いは図４（ｂ）に示すように、温度制御を行わない分岐導波路２６、言い換えると、クラッド１６表面に薄膜ヒータ４６が設けられていない側の分岐導波路２６の上方に金属膜４５を設けてもよい。この金属膜４５は、薄膜ヒータ４６と同じ材質で同じ形状であることが好ましい。これにより、２つの分岐導波路２６，２７に与える応力の影響を略等しくすることができ、分岐導波路２６，２７間の光学特性、例えば偏光特性のばらつきを小さくすることができる。

また、基板１４には石英基板を用いるのが好ましく、バッファ層１５及び上部クラッド１６は、石英を含む石英系材料で形成するのが好ましい。また、光導波路素子１０にバッファ層１５を設けず、上記コアを直接石英基板上に形成してもよい。さらに、基板１１にＳｉ基板を用いてもよく、その際、コアとＳｉ基板の間には、Ｓｉ基板の応力を緩衝させるためにバッファ層１５を設けるのがよい。

本発明に係る光導波路素子は、上述の可変光減衰器をはじめ、熱光学効果を利用した光スイッチ等、あらゆる光導波路に適用することができる。

本実施の形態の光導波路素子を表す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図である。 図１の丸Ｄ部分の詳細を示す拡大図である。 他の実施の形態の光導波路素子を表す平面図である。 （ａ）は分岐部にＭＭＩカプラを用いた可変光減衰器の模式図であり、（ｂ）は分岐部に方向性結合器を用いた可変光減衰器の模式図である。 従来の光導波路素子を表す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）の５Ｂ−５Ｂ線断面図である。 他の従来例の光導波路素子を表す平面図である。

符号の説明

１０ 光導波路素子
１１，１２ 可変光減衰器
１４ 基板
１７ 薄膜ヒータ
２１，３１ 入力導波路
２２，３２ 出力導波路
２４，２５，３４，３５ 分岐部
２６，２７，３６，３７ 分岐導波路
３０ 反射面

Claims (5)

1. 基板上にマッハツェンダ型の可変光減衰器を少なくとも一対に並列に近接させて形成し、その可変光減衰器の同一側をそれぞれ入出力端とし、上記可変光減衰器の他側に反射面を形成し、その反射面で上記可変光減衰器を結合させて２段に縦続接続することを特徴とする光導波路素子。
2. 上記可変光減衰器は、入力導波路と、出力導波路と、それら入出力導波路間に接続される一対の分岐導波路と、いずれか一方の分岐導波路上方に形成される薄膜ヒータとで構成される請求項１記載の光導波路素子。
3. 一方の上記可変光減衰器から出力された信号光が、上記反射面で全反射して他方の上記可変光減衰器に入力されるべく、一方の可変光減衰器の出力導波路と他方のマッハツェンダ型可変光減衰器の入力導波路とを上記反射面に対して同じ角度で結合させた請求項１または２記載の光導波路素子。
4. 上記反射面は、金属膜或いは全反射多層膜を基板端面に設けて形成される請求項１〜３いずれかに記載の光導波路素子。
5. 上記反射面は、出入力導波路を結合させた端面に細溝を形成し、その細溝に多層膜フィルタを挿入して形成される請求項１〜３いずれかに記載の光導波路素子。
   

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