JP2006058858A - 導波路型熱光学位相シフタおよびその光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 断熱溝構造を有する光導波路と薄膜ヒータによって構成され、熱光学効果を利用した光の位相シフタにおいてより低い消費電力およびより高密度な回路を提供するための構成を最適化することを目的とする。
【解決手段】 基板１上に配置されるクラッド層２およびコア層３によって形成される埋め込み型光導波路３２，３３と、その上面に形成される薄膜ヒータ３５，３６及び光導波路３２，３３の側面に断熱溝３７を形成して構成される導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝３７の光導波方向の長さが前記薄膜ヒータ３５，３６の長さよりも長いことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上の光導波路を用いた熱光学位相シフタおよびその光回路に関するものである。詳細には、薄膜ヒータから発生する熱を最大限有効にするために、ヒータ端から発生する熱の拡散も抑制できるようにしたものである。

ブロードバンド通信の爆発的普及によりネットワークコンテンツは多様性を増しており、その進歩に伴って通信トラフィックの増大を生み、ネットワークに対する大容量化、高速化、高機能化の要求を日増しに高めている。
近年、光通信技術はこれらの要求に応え得る重要な役割を果たしてきた。
これまでの光ネットワークでは、光−電気、電気−光変換によって信号処理を行う方式が主流となってきたが、今後はさらにアクセス網を含む全てのネットワーク上で電気信号に変換する事なく光信号のままで結ぶ通信システムに発展させ、各ユーザにおけるより多彩な通信利用形態を実現していくことが重要となる。

この光通信システムにおいて重要な役割を果たしてきた部品として、光導波路型デバイスが挙げられる。
光の干渉原理を応用することにより光信号の分岐結合器、波長合分波器、フィルタ、スイッチなどさまざまな機能を実現しており、導波路型であることから回路設計に柔軟性があり、大規模化、高集積化が容易であるばかりでなく、ＬＳＩなどの半導体部品製造プロセスを流用しているため、量産性に優れたデバイスとして大きく期待されている。
導波路部分の材料としては半導体、高分子材料などさまざまなものが実用化されている中、特にシリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり安定性及び光ファイバとの整合性に優れるといった特徴を有し、実用化が最も進んだ導波路型光デバイスの一つである。

導波路型デバイスは光分岐やフィルタなど光の干渉原理をそのまま利用したデバイスに対して、干渉条件を積極的に制御することで動的な機能を実現することも可能である。
例えば、導波路部分に薄膜ヒータ等により熱を加えると熱光学効果によって導波路の屈折率が変化し、導波路内を伝搬する光の位相を制御できる。
この現象の応用例として、光分岐結合器と位相制御を組み合わせた熱光学デバイスについて以下説明する（特許文献１参照）。

図８に示すマッハ・ツェンダー干渉計型の光回路は、光信号を分岐・合流する２つの方向性結合器１１および１４と、方向性結合器１１および１４間の光導波路であるアーム導波路１２，１３によって構成され、アーム導波路１２，１３上に薄膜ヒータ１５，１６を形成したものである。
入力導波路１ａから入射した光信号は方向性結合器１１によって分岐され、アーム導波路１２および１３をそれぞれ伝搬し、方向性結合器１４によって再び合流する。
その際、薄膜ヒータ１５，１６のいずれかに電極パッド１８より給電するとアーム導波路１２，１３の間に位相差が生じ、方向性結合器１４における位相関係によって出力導波路１ｃあるいは１ｄから出射する光信号の強度が変化する。
位相差が０のとき、光信号は１００％出力導波路１ｄから出射し、位相差がπのとき出力導波路１ｃから１００％出射する。

この現象を利用すると、光信号の経路を選択できる光スイッチを実現することができる。
あるいは、薄膜ヒータヘの給電をアナログ的に制御することによって、位相差を調整すれば、可変光減衰器として使用することもできる。
ここで、図８のＡ−Ａ’線に沿った断面図を図８（ｂ）に示す。
図８（ｂ）に示すように、２本のアーム導波路１２および１３は、基板１上に形成されたクラッド層２に埋め込まれた二つのコア部３によって構成され、光導波路の両側には、２本のアーム導波路１２および１３に沿ってクラッドガラス（クラッド層）２をエッチングによって除去した断熱溝１７が形成されており、スイッチングあるいは減衰に必要な電力を低減できる。
さらに同じ回路を多数アレイ化して集積する際に、隣接する回路との熱干渉を抑制しつつ近接して配置することができ、デバイスの小型化が可能となる。

特開２００１−２２２０３４号公報

図８に示した光回路において、消費電力の低減、回路の小型化に大きく寄与する要素技術として断熱溝構造が採用されている。
断熱溝１７を形成することにより、薄膜ヒータ１５，１６から発生する熱は効率よくコア部３を暖めるばかりでなく、基板水平方向の熱拡散を遮断するため、隣接するアーム導波路１２，１３への熱干渉を抑制し、より高密度に回路を配置することが可能となる。
しかしながら、従来の断熱溝１７を含む光導波路の構造では、熱干渉の抑制が十分でなく、断熱溝１７の効果が十分でないという問題がある。

従来の断熱溝構造の詳細を図９に示す。
図９（ａ）に示した断面図では、断熱溝１７により薄膜ヒータ１５，１６から発生する熱がヒートシンクとなる基板方向に効率よく流れる構造とも言えるが、図９（ｂ）に示した平面図では、断熱溝１７と薄膜ヒータ１５，１６が同じ長さとなっていることから、薄膜ヒータ１５，１６の両端で発生した熱が基板水平方向に拡散してしまい、熱効率を下げている上、隣接するアーム導波路１２，１３への熱干渉が発生してしまう。
これにより、位相制御に必要となる消費電力を十分に低減できない、あるいは隣接する光導波路との距離を近づけて回路の密度を向上できないという問題が生じていた。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、断熱溝構造を有する光導波路と薄膜ヒータとによって構成される熱光学効果を利用した光の位相シフタにおいて、より低い消費電力およびより高密度な回路を提供するための構成を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る導波路型熱光学位相シフタは、基板上に配置されるクラッド層およびコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、その上面に形成される薄膜ヒータおよび前記光導波路の側面に形成された断熱溝によって構成される導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝の光導波方向の長さが前記薄膜ヒータの長さよりも長いことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係る導波路型熱光学位相シフタは、請求項１に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝では、前記光導波路のコア層側面が露出することを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係る導波路型熱光学位相シフタは、請求項１に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝では、前記光導波路のコア層側面が前記クラッド層で覆われていることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項４に係る導波路型熱光学位相シフタは、請求項２又は３に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝では、前記基板が露出することを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項５に係る導波路型熱光学位相シフタは、請求項２又は３に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝では、前記基板が前記クラッド層で覆われていることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項６に係る導波路型熱光学位相シフタは、請求項１〜５のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、互いに隣接する前記断熱溝間の幅が５０μｍ以下であり、ＴＥ偏波のπ位相シフト電力をＰ_TE、ＴＭ偏波のπ位相シフト電力をＰ_TMとしたときに、前記π位相シフト電力Ｐ_TEおよびＰ_TMの差｜Ｐ_TE−Ｐ_TM｜の前記π位相シフト電力Ｐ_TEに対する割合（｜Ｐ_TE−Ｐ_TM｜／Ｐ_TE）が０．０４以下であることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項７に係る導波路型熱光学位相シフタは、請求項１〜６のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記基板がシリコン基板であり、前記光導波路がＳｉＯ₂を主成分とする石英系ガラスから成ることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項８に係る干渉型光回路は、請求項１〜６のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタおよび導波路型光結合器によって構成されることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項９に係る導波路型熱光学光回路は、請求項８記載の干渉型光回路を１個あるいは複数集積していることを特徴とする。

本発明によれば断熱溝構造を有する導波路型熱光学位相シフタにおいてクラッド層上に装荷された薄膜ヒータの光導波方向の長さよりも、断熱溝の長さを長くすることによって、位相制御に必要となる消費電力を低減でき、かつ同様の回路を複数並列に配置する場合においても、隣接する回路に熱干渉による影響を与えることなく近接して配置することができ、小型かつ低コストの光デバイスを容易に提供することができる。
また熱光学位相シフタを形成する材料によらず同様の効果を得ることができる。

本発明の熱光学位相シフタは小型かつ低コストで実用性が高い光デバイスを提供する非常に有効な手段であり、さまざまな光信号の制御を必要とする大容量光通信網の発展に大きく寄与するものであると期待される。

本発明の熱光学位相シフタは、基板上に作製されるクラッド層およびコア層によって形成される埋め込み型光導波路とその上面に形成される薄膜ヒータおよび光導波路側面のクラッド層を除去することによって構成され、前記光導波路に沿って除去されるクラッド層の光導波方向の長さが前記薄膜ヒータの長さよりも長くしたものである。
ここで、光導波路のコア層側面が露出されるまでクラッド層が除去されていること、あるいは任意の厚さのクラッド層を残すようにしても良い。
また、基板が露出される深さまでクラッド層が除去されていること、あるいは基板が露出されることなく任意の深さまでクラッド層が除去されていても良い。
また本発明の光回路は前記熱光学位相シフタおよび導波路型光結合器によって構成される干渉型光回路およびこれらを複数集積して構成すると良い。

例えば、図１に示したように、図８において説明したような光スイッチの位相制御部に断熱溝構造を採用し、かつ光信号が伝搬する方向の断熱溝３７の長さが薄膜ヒータ３５，３６の長さよりも長くなるように構成することにより、薄膜ヒータ３５，３６の端部で発生した熱が断熱溝３７によってさえぎられ、隣接するアーム導波路３２又は３３を伝搬する光信号の位相に影響を及ぼすことなく制御可能となる。
またヒータ端部の熱は断熱溝３７によってシリコン基板１に対する深さ方向に閉じ込められる形となり、熱光学効果の効率も向上する。
これらの効果によって、図１の光スイッチは同じ回路をアレイ化して配置する際に、回路同士を従来よりも近接させることが可能となり、スイッチングに必要な消費電力が低減されることになる。

上述の構成は熱光学効果を応用したデバイスにおいて、ヒータ端部で発生した熱の拡散を断熱溝３７の構成の工夫によって抑制するものであり、回路配置の高密度化あるいは消費電力の低減を可能とする。
したがって、図１に示した光スイッチの構成に限らず、光結合器がマルチモード干渉計である場合やＹ分岐導波路である場合にも適用できるものであり、なおかつデバイスとして光スイッチのみならず、光信号の位相を制御するあらゆるデバイスに適用可能である。
更に、断熱溝構造においても前述のとおりコア側面が露出したもの、シリコン基板が露出していないものなど、用途に応じてあらゆる構造が考えられ、それら構造によって本発明による効果の程度は決定されるが、いずれの場合も従来の構成と比較して顕著な効果が得られるものである。

なお、以下の実施例は、シリコン基板上に形成したＳｉＯ₂を主成分とする石英系単一モード光導波路を使用した光デバイスに適用したものである。これはこの構成が安定かつ集積化が容易であるためで、しかも石英系光ファイバとの整合性に優れ、低損失な光デバイスを提供できるためである。しかしながら本発明はこれらの構成に限定されるものではない。

本発明に係る熱光学位相シフタの実施例１としての導波路型光スイッチの概略構成を図１に示す。
図１（ａ）は光スイッチの回路構成平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
本実施例に係る導波路型光スイッチは、シリコン基板１上に作製され、石英系ガラスクラッド（クラッド層）２に埋め込まれたコア部３によって構成される２本の光導波路１ａ−１ｃと１ｂ−１ｄが２箇所で間隔数μｍにまで近接して２個の方向性結合器３１および３４を形成し、方向性結合器３１および３４間の光導波路である２本のアーム導波路３２，３３間でマッハ・ツェンダー干渉計回路をなす。

方向性結合器３１および３４の結合率は結合部における光導波路の間隔、長さを調節することにより５０％となるように設計されている。
マッハ・ツェンダー干渉計回路のアーム部分となる光導波路は、アーム導波路３３側の実効光路長が他方のアーム導波路３２側に対して信号光波長（実施例１においては１．５５μｍ）の２分の１、すなわち０．７７５μｍ相当だけ長くなるように光路長が設計されている。
また図１（ｂ）に示すように、アーム導波路３２，３３上のクラッド層表面には熱光学効果を利用する光位相シフタとして薄膜ヒータ３５，３６が装荷され、アーム導波路３２，３３に沿ってクラッド層２を除去することにより断熱溝３７を形成している。

薄膜ヒータ３５，３６がオフ（無通電）時に入力導波路１ａから入力した信号光は、方向性結合器３１によって２つに分岐され、アーム導波路３２，３３をそれぞれ伝搬して通過し、方向性結合器３４で合流する際にアーム間に設定された光路長差（実施例１では波長１．５５μｍの２分の１）により出力導波路１ｃから出力される。
ここで薄膜ヒータ３５がオン（通電）状態となって適切な電力（スイッチング電力）が加えられた場合には、アーム導波路の実効光路長差は熱光学効果によってゼロとなり、出力導波路１ｃから出力されていた光は出力導波路１ｄに切り替わる。
以上の原理により、実施例１における光スイッチは出力先の経路を変更する経路切り替えスイッチとして動作する。

ここで、図１（ａ）において示したように、薄膜ヒータ３５，３６に沿って形成されている断熱溝３７は薄膜ヒータ３５，３６の光導波方向の長さよりも長いことが本発明の特徴である。
すなわち、薄膜ヒータ３５，３６の両端で発生した熱は水平方向にも拡散するが、隣接する光導波路への熱の伝搬は断熱溝３７によって抑制され、位相を制御しているアーム導波路３２又は３３における熱光学効果の効率を向上させる働きを持つ。
そしてその効果の程度は薄膜ヒータ３５，３６と断熱溝３７の長さの差によって決まる。

実施例１においては図１（ａ）に示した薄膜ヒータ３５および３６の長さに対する断熱溝３７の長さの差３９によるスイッチング電力の変化を調べるため、以下に説明するような光回路を作製した。
厚さ１ｍｍ、直径４インチのシリコン基板１上に石英系ガラスによって形成されるクラッド層２および埋め込み型コア部３を有する単一モード光導波路を、ＳｉＣ１₄やＧｅＣ１₄などの原料ガスの火炎加水分解反応を利用した石英系ガラス膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより作製し、薄膜ヒータ３５，３６および給電のための電極３８をクラッド層２表面上に真空蒸着およびパターン化によって作製した。
作製した光導波路のコア寸法は７μｍ×７μｍであり、クラッド層２との比屈折率差Δは０．７５％とした。

実施例１における光スイッチは、この光導波路を用い、直線導波路および曲線導波路を組み合わせることによって形成される。
またマッハ・ツェンダー干渉計回路はアーム導波路３２，３３の実効光路長差が信号光波長１．５５μｍの２分の１である０．７７５μｍとなるように設定した。
石英系ガラスの屈折率が１．４５であることを考慮すれば、実際のアーム導波路長の差は０．７７５μｍ／１．４５＝０．５３４μｍである。
熱光学効果による位相シフタとしてクラッド層２の表面上に形成した薄膜ヒータ３５，３６は厚さ０．１μｍ、幅２０μｍ、長さ２ｍｍとした。

さらに薄膜ヒータ３５，３６に沿って断熱溝３７を形成し、実施例１においてはシリコン基板１が露出する深さの構造とした。
また光導波路のコア側面はクラッド層２によって覆われる構造となっている。
マッハ・ツェンダー干渉計回路によって構成される実施例１の光スイッチは全長５ｍｍであった。
この光スイッチの同じ構成のものを合計２６個作製し、それぞれの断熱溝３７の長さを薄膜ヒータ３５，３６と同じ２ｍｍから２．３ｍｍまで変化させてそれぞれのスイッチング動作特性を比較できるようにした。
これらの光スイッチチップをダイシングソーによって切り出し、入出力導波路端１ａ〜１ｄにそれぞれシングルモード光ファイバを接続し、光スイッチチップの給電端子３８に電気コネクタを設置した外部電気配線板を接続した。

電気コネクタに電源を接続し、薄膜ヒータ３５，３６に適切な電力を給電することによって２入力２出力のポート間を任意に切り替え、接続する光スイッチ動作が確認された。
作製した光スイッチのスイッチングに必要な電力、スイッチング電力を全て測定し、薄膜ヒータ３５，３６と断熱溝３７の長さの差による変化をプロットした結果を図２に示す。
図２は、長さの差が０ｍｍの場合のスイッチング電力を１とした場合の規格化した値を縦軸、長さの差を横軸としたグラフである。
図２に示すように、薄膜ヒータ３５，３６と断熱溝３７の長さの差が大きくなるほど、スイッチング電力は低減され、実施例１における結果では差が０．３ｍｍの場合に８．５％程度低減された。

これは断熱溝構造による消費電力低減を行う上で、更に溝の間隔を狭めたり、光導波路コアの下部クラッド層をより厚くしたりすることによる構造上の不安定性や、光学特性への影響、デバイス作製工程への負担を増すことなく、設計の工夫のみで更なる低消費電力化を実現できる非常に有効な手段である。
特に実施例１で用いた石英系ガラス材料のみならず、温度に対する屈折率変化の係数である熱光学係数が大きい高分子系材料などを用いた場合には、消費電力の低減効果がより顕著となることも本発明の有用性を示している。

本発明に係る熱光学位相シフタの実施例２としての導波路型光可変光減衰器アレイの概略構成を図３に示す。
本実施例における回路構成は、実施例１の光スイッチと同様に、２つの方向性結合器４１，４４およびアーム導波路と薄膜ヒータ４５，４６によって構成されたマッハ・ツェンダー干渉計回路からなり、実施例２において２本のアーム導波路間に設定された光路長差は信号光波長１．５５μｍの２分の１となる０．７７５μｍとした。
薄膜ヒータ４５，４６に給電する電力を連続的（アナログ）に制御することにより、入力導波路１ａから入射した光信号が出力導波路１ｄから出射する際の光パワーを連続的に制御でき、スイッチング電力に相当する電力を印加した時に光パワーが最大となる。
この可変光減衰器を多数配置してアレイ化することで複数チャネルの光信号レベルを調整する光デバイスが実現できる。

実施例２においては隣接するチャネルとの間隔５３を０．１ｍｍに設定し、８チャネル分配置した。
実施例２において使用した光導波路の仕様やチップ、光ファイバや電気コネクタの実装方法は実施例１における光スイッチと同様である。
なお、薄膜ヒータ４５，４６に給電する電気配線は図３において省略している。
図３に示したような可変光減衰器について、例えば、求められる設定減衰量の精度が最大透過パワーに対する減衰量２０ｄＢにおいて±０．５ｄＢ以内を要求された場合、位相制御の精度は半波長に相当するπに対する割合で±０．４％以内を必要とする。
つまりスイッチング電力のわずか±０．４％を超えて熱干渉が隣接するチャネルに発生する場合には要求される仕様を満たせないことになる。

したがって、薄膜ヒータ４５，４６で発生した熱が隣接するチャネルに影響を及ぼさない構成構造が必要となる。
本発明は前述の要件を満たす上で非常に有効な手段であり、実施例２において本発明を採用する主な目的である。
図３に示した８チャネル可変光減衰器について実施例１と同様に、同じ構成のものを合計２６個作製し、それぞれの断熱溝５５の長さを薄膜ヒータ４５，４６と同じ２ｍｍから２．３ｍｍまで変化させてそれぞれの減衰動作特性を比較できるようにした。
その結果を図４に示す。
図３のチャネル５１において透過する光信号レベルの減衰量を２０ｄＢに設定した後、隣接するチャネル５２において透過する光信号レベルを最大（減衰量０ｄＢ）に設定した場合のチャネル５１の減衰量変動を図４にプロットした。

図４において、横軸は薄膜ヒータ４５，４６と断熱溝５５の長さの差５４である。
例えば、前述のように２０ｄＢ減衰時の減衰量変動を±０．５ｄＢ以内と規定した場合、薄膜ヒータ４５，４６と断熱溝５５の長さの差を０．２５ｍｍ以上とすることで要求を満たすことができる。
他の隣接するチャネル同士においても結果は同様であった。
従来は各チャネルの減衰量をモニタし、ヒータの電力を状態の変化に応じて制御するなどの対策を必要としていたのに対し、本発明の構成によれば、能動的な制御を必要とせず、熱干渉を抑制しつつ隣接する回路を近接して配置することが可能となり、デバイスの小型化、低コスト化に大きく寄与することとなる。

本発明に係る熱光学位相シフタの実施例３としての導波路型可変光減衰器アレイを図５に示す。
本実施例は、実施例２で作製した８チャネル可変光減衰器において、断熱溝７１を含む断面構造を変更し、より低消費電力を実現しながら、隣接するチャネルヘの熱干渉も抑制することを目的とする新しい形態の導波路型可変光減衰器アレイである。

即ち、本実施例における回路構成は、実施例２と同様にマッハ・ツェンダー干渉計からなるが、断熱溝７１では、コア部３の側面が露出しており、断熱溝部分を伝搬する光は放射による損失を生じるものの、薄膜ヒータ７５，７６によって加熱する部分の体積を極力減らすことにより、低電力化を実現できる構成となっている。
なお、この場合のコア部３は放射損失を可能な限り抑制するために、通常使用されるコアよりも幅を若干広く設計している。
図５に示した構造の可変光減衰器を並列して配置し、８チャネル可変光減衰器を作製した。
その他の回路構成、作製、実装に関する部分は実施例２と同様である。

作製したサンプルを信号光波長１．５５μｍで測定したところ、スイッチング電力は実施例２で作製した可変光減衰器と比較して、１／２に低減された。
挿入損失の増加は実施例２と比較しても０．５ｄＢ以下であったため、若干の損失増加を許容すれば、十分に低消費電力を実現することが可能である。
また隣接するチャネルヘの影響を調べたところ、２０ｄＢ減衰時の減衰量変動を±０．５ｄＢ以内と規定した場合、実施例２と同様に薄膜ヒータ７５，７６と断熱溝７１の長さの差を０．２５ｍｍ以上とすることで要求を満たすことができた。

本発明に係る熱光学位相シフタの実施例４としての導波路型可変光減衰器アレイを図６に示す。
本実施例は、実施例２で作製した８チャネル可変光減衰器において、断熱溝８１を含む断面構造を変更し、作製にかかる時間を低減しながら、隣接するチャネルヘの熱干渉も抑制することを目的とする新しい形態の導波路型可変光減衰器アレイである。

即ち、本実施例における回路構成は実施例２と同様にマッハ・ツェンダー干渉計からなるが、シリコン基板１を露出させることなく任意の厚さのクラッドガラス８２を残して断熱溝８１が形成されており、断熱溝８１による消費電力低減の効果は若干低下するものの、エッチングによって形成される溝の加工時間を減らすことにより、低コスト化を実現できる構成となっている。
なお、この場合コア下部のクラッドガラス（アンダークラッド）は可能な限り厚く形成されており、ある程度の消費電力低減を図った上で、加工コストの削減を実現している。

図８に示した構造の可変光減衰器を並列して配置し、８チャネル可変光減衰器を作製した。
その他の回路構成、作製、実装に関する部分は実施例２と同様である。
作製したサンプルを信号光波長１．５５μｍで測定したところ、スイッチング電力は実施例２で作製した可変光減衰器と比較して２０％程増加したものの、加工時間の削減によりデバイスの低コスト化を実現した。
また隣接するチャネルヘの影響を調べたところ、２０ｄＢ減衰時の減衰量変動を±０．５ｄＢ以内と規定した場合、実施例２と同様に薄膜ヒータ８５，８６と断熱溝８１の長さの差を０．２５ｍｍ以上とすることで要求を満たすことができた。

本実施例は、実施例２で作製した図３に示す８チャネル可変光減衰器において、マッハ・ツェンダー干渉計のアーム光導波路を挟む断熱溝５５同士の間隔５６を調整して、偏波依存損失（ＰＤＬ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ）を抑制することを目的とするものである。

可変光減衰器などにおいて発生する偏波依存損失は、光ネットワークシステムの性能に大きな影響を与えるため、その抑制が重要である。
例えば、可変光減衰器などの構成によって発生する偏波依存損失の原因は、光導波路を形成するシリコン基板及びクラッド層、光導波路コアがそれぞれ異なった熱膨張係数を有することによって、光導波路コア付近に異方性を持った応力が発生することにある。
すなわち、基板水平方向に光導波路コアを圧縮する応力がかかり、垂直方向にはほとんど応力がかかっていない状態（以下、応力異方性という）となることで、コアを伝搬する光信号の偏光方向によって位相の変化量が異なってしまい、結果的に偏光方向によって干渉条件が変わることから偏波依存損失が発生するのである。
上述した本発明の実施例１〜４において示したような断熱溝構造は、この応力異方性を低減するのに有効な手段である。

本実施例では、図３に示す８チャネル可変光減衰器アレイにおいて、マッハ・ツェンダー干渉計のアーム光導波路を挟む断熱溝５５同士の間隔５６を小さくすることによって偏波依存損失が抑制され、断熱溝構造がより有効となることを確認した。以下に本実施例の詳細を示す。

マッハ・ツェンダー干渉計における干渉特性から、偏波依存損失は光の減衰量が大きいほど発生しやすく、光導波路コアにおける応力異方性の低減は、偏波依存損失低減のために重要かつ不可欠な条件である。

可変光減衰器における応力異方性により、薄膜ヒータ４５，４６に印加する電力が大きいほど、かつ光の減衰量が大きいほど、偏波依存損失は顕著に現れるため、ここでは効果の程度を確認するためにあえて光路長差がゼロである対称型マッハ・ツェンダー干渉計を使用し、ヒータ印加電力が大きいほど光が減衰する構成とした。
その他の回路構成、導波路構成、作製、実装に関する部分は実施例２と同様である。
作製した可変光減衰器のうち、断熱溝が無いサンプルにおいては、応力異方性が大きいことが原因となり、偏波依存損失が約４ｄＢであった。
熱光学位相シフタ部におけるＴＥ偏波のπ位相シフト電力（以下、ＴＥ偏波π電力という）をＰ_TE、ＴＭ偏波のπ位相シフト電力をＰ_TMとしたときに、両者の差│Ｐ_TE−Ｐ_TM│のＴＥ偏波π電力Ｐ_TEに対する割合（│Ｐ_TE−Ｐ_TM│／Ｐ_TE×１００）を偏波依存π電力と定義すると、断熱溝が無いサンプルにおける偏波依存π電力は５．５％程度であると算出される。
図１０に偏波依存π電力と偏波依存性の関係を表すグラフを示す。
ここで、断熱溝５５を形成することによる応力異方性の低減によって、偏波依存損失を１ｄＢ以上改善し、偏波依存損失３ｄＢ以下を実現するためには、偏波依存π電力は４％以下であることが必要となる。

図１１に、あるチャネルにおける偏波依存損失の溝間隔依存性を光減衰量ごとにプロットした図を示す。図１１から、光減衰量が小さく、断熱溝５５の間隔５６が狭いほど偏波依存損失が少ないことがわかる。
また、断熱溝５５の間隔５６を５０μｍ以下とすることで、偏波依存π電力を４％以下とすることが可能となり、偏波依存損失を３ｄＢ以下に抑制できることがわかった。
このように、８チャネル可変光減衰器アレイを断熱溝構造とすることによって基板水平方向の応力が開放され、断熱溝の間隔を狭めることによって応力異方性がより解消され、偏波依存損失が低減していく効果を確認することができた。
したがって本実施例によれば、基板及びクラッド層、光導波路コアの熱膨張係数の違いによって発生する光導波路コア付近の応力の値を制御して、導波路型熱光学位相シフタによる位相のシフト量の偏波依存損失を抑制することが可能である。
なお、本実施例において作製した可変光減衰器アレイのいずれのチャネルにおいても同様の結果であった。

さらに、この８チャネル可変光減衰器についてもっとも偏波依存損失の低かった溝間隔２０μｍのサンプルについて隣接するチャネルへの影響を調べたところ、２０ｄＢ減衰時の減衰量変動を±０．５ｄＢ以内と規定した場合、実施例２と同様に薄膜ヒータと断熱溝の長さの差を０．２５ｍｍ以上とすることで要求を満たすことができた。

以上、本発明の実施例１〜５において示したような導波路型干渉計回路の場合、回路の構成上、アーム導波路間に配置する断熱溝３７，５５，７１，８１の長さには限界があるため消費電力の大きな低減効果は得られない。
しかし、例えば光信号処理回路における遅延線の微調整を行う熱光学位相シフタアレイの場合には、位相制御を行う直線導波路が並列して配置されているため、薄膜ヒータよりも断熱溝の長さを大きくすることが容易であり、本発明の構成によって隣接するチャネルの位相に影響することなく個々の位相制御が可能となるうえ、消費電力もより低減することが可能となる。

また実施例１〜５では、信号光波長が１．５５μｍである場合を取り扱ったが、本発明の構成手法によれば信号光波長が例えば１．３μｍである場合にも適用できることは明らかであり、使用する波長帯によらず同様の効果が得られる。
また実施例１〜５ではシリコン基板上の石英系ガラスを基本とする熱光学位相シフタについて説明したが、導波路型光デバイスを構成する他の材料、例えば高分子光導波路やイオン拡散型光導波路などを用いた熱光学位相シフタすべてにおいて、本発明が適用可能である。

更に実施例１〜５ではマッハ・ツェンダー干渉計回路を基本とした光スイッチおよび可変光減衰器について述べたが、マッハ・ツェンダー干渉計回路を構成する要素が例えば、Ｙ分岐導波路やマルチモードカプラーであっても同様の効果が得られるということを重ねて述べる。
また図１あるいは図３に示したように、実施例１〜５における断熱溝の形状長方形となっているが、光導波方向の長さが薄膜ヒータよりも長いことが本発明における本質であり、したがって、断熱溝の形状は長方形に限らず、例えば図７（ａ）に示したように回路形状に沿って湾曲した断熱溝９１であっても同様の効果が得られる。

即ち、光導波路１ａ−１ｃと１ｂ−１ｄが２箇所で間隔数μｍにまで近接して２個の方向性結合器９３および９４を形成し、２本の光導波路間でマッハ・ツェンダー干渉計回路をなすと共に光導波路上には光位相シフタとして薄膜ヒータ９５，９６が装荷され、湾曲した光導波路にそって湾曲した断熱溝９１が形成されている。
図７（ａ）においても、断熱溝９１の光信号の伝播する方向の長さが薄膜ヒータ９５，９６よりも長いため、薄膜ヒータ９５，９６の端部で発生した熱が断熱溝９１によってさえぎられ、隣接する光導波路を伝搬する光信号の位相に影響を及ぼすことなく制御可能となる等上述した実施例と同様な作用効果を奏する。

また、図３に示したような実施例２〜５における光回路はマッハ・ツェンダー干渉計回路を並列して配置して構成することによる可変光減衰器アレイであるが、光回路の構成はこれに限らず、他の構成によっても同様の効果が得られる。
例えば、図７（ｂ）はマッハ・ツェンダー干渉計回路９７，９８を直列に接続した例を示すものであり、図中、１ａ，１ｂ，２ａ及び２ｂは入力導波路、１ｃ、１ｄ、２ｃ及び２ｄは出力導波路、１０１及び２０１は断熱溝、１０３，１０４，２０３及び２０４は方向性結合器、１０５，１０６，２０５及び２０６は薄膜ヒータであり、上述した実施例と類似する部分は説明を省略する。
図７（ｂ）に示すように、入力光導波路１ａに入射され、出力光導波路２ｄに出射される光信号は、本発明の構造を持つ断熱溝を形成したマッハ・ツェンダー干渉計回路９７，９８を直列に接続することによって、図１あるいは図３に示したマッハ・ツェンダー干渉計回路が一段である場合に比べて、光スイッチとしてはより高い消光比、可変光減衰器としてはより高い光減衰量を実現することができ、なおかつ断熱溝１０１，２０１の光導波方向の長さがそれぞれ薄膜ヒータ１０５及び１０６，２０５及び２０６よりも長いことによって実施例１〜５と同様の効果が得られる。

このように説明したように、本発明の導波路型熱光学位相シフタは、図１に示すように、断熱溝３７の長さが薄膜ヒータ３５，３６の長さよりも長いことが特徴であり、また、本発明の光回路は、前記の導波路型熱光学位相シフタを集積した点に特徴がある。

本発明は、光信号の分岐結合器、波長合分波器、フィルタ、スイッチなどさまざまな機能を実現する光導波路型デバイスとして広く利用可能なものである。

本発明の熱光学位相シフタを備えた実施例１におけるマッハ・ツェンダー干渉計回路型光スイッチの概略を示す平面図および断面図である。 本発明の実施例１における規格化されたスイッチング電力と薄膜ヒータと断熱溝の長さの差の関係を示すグラフである。 本発明の熱光学位相シフタを備えた実施例２における導波路型光可変光減衰器アレイの概略を示す平面図である。 本発明の実施例２において減衰量２０ｄＢに設定された隣接するチャネルの熱干渉による減衰量変動量を薄膜ヒータと断熱溝の長さの差の関係を示すグラフである。 本発明の熱光学位相シフタを備えた実施例３における導波路型光可変光減衰器の概略を示す断面図である。 本発明の熱光学位相シフタを備えた実施例４における導波路型光可変光減衰器の概略を示す断面図である。 図７（ａ）は本発明の熱光学位相シフタにおける断熱溝形状の一例を示す平面図、図７（ｂ）はマッハ・ツェンダー干渉計回路を直列に接続した例を示す平面図である。 従来の熱光学位相シフタを備えたマッハ・ツェンダー干渉計回路型光スイッチの概略を示す平面図および断面図である。 従来の熱光学位相シフタの構造の詳細を示す模式図である。 本発明の実施例５における偏波依存π電力と偏波依存損失の関係を示すグラフである。 本発明の実施例５における可変光減衰器の偏波依存損失と断熱溝間隔の関係を光減衰量ごとに示すグラフである。

符号の説明

１ シリコン基板
２ クラッド層
３ コア部
１ａ 入力導波路
１ｂ 入力導波路
１ｃ 出力導波路
１ｄ 出力導波路
１１ 方向性結合器
１２ アーム導波路
１３ アーム導波路
１４ 方向性結合器
１５ 薄膜ヒータ
１６ 薄膜ヒータ
１７ 断熱溝
１８ 電極パッド
３１ 方向性結合器
３２ アーム導波路
３３ アーム導波路
３４ 方向性結合器
３５ 薄膜ヒータ
３６ 薄膜ヒータ
３７ 断熱溝
３８ 電極パッド
３９ 薄膜ヒータと断熱溝の長さの差
５１ 減衰量２０ｄＢ設定チャネル
５２ 減衰量０ｄＢ設定チャネル
５３ 可変光減衰器アレイのチャネル間隔
５４ 薄膜ヒータと断熱溝の長さの差
５５ アーム導波路間の断熱溝
５６ アーム導波路における断熱溝間隔
７１ 断熱溝
８１ 断熱溝
８２ 任意の厚さに残されたクラッドガラス
９１ 断熱溝
９７ 直列接続の前段光回路
９８ 直列接続の後段光回路

Claims (9)

1. 基板上に配置されるクラッド層およびコア層によって形成される埋め込み型光導波路と、その上面に形成される薄膜ヒータおよび前記光導波路の側面に形成された断熱溝によって構成される導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝の光導波方向の長さが前記薄膜ヒータの長さよりも長いことを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
2. 請求項１に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝では、前記光導波路のコア層側面が露出することを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
3. 請求項１に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝では、前記光導波路のコア層側面が前記クラッド層で覆われていることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
4. 請求項２又は３に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝では、前記基板が露出することを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
5. 請求項２又は３に記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記断熱溝では、前記基板が前記クラッド層で覆われていることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、互いに隣接する前記断熱溝間の幅が５０μｍ以下であり、ＴＥ偏波のπ位相シフト電力をＰ_TE、ＴＭ偏波のπ位相シフト電力をＰ_TMとしたときに、前記π位相シフト電力Ｐ_TEおよびＰ_TMの差｜Ｐ_TE−Ｐ_TM｜の前記π位相シフト電力Ｐ_TEに対する割合（｜Ｐ_TE−Ｐ_TM｜／Ｐ_TE）が０．０４以下であることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタにおいて、前記基板がシリコン基板であり、前記光導波路がＳｉＯ₂を主成分とする石英系ガラスから成ることを特徴とする導波路型熱光学位相シフタ。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の導波路型熱光学位相シフタおよび導波路型光結合器によって構成されることを特徴とする干渉型光回路。
9. 請求項８記載の干渉型光回路を１個あるいは複数集積していることを特徴とする干渉型光回路。

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