JP2011232458A

JP2011232458A - 位相制御回路

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Publication number: JP2011232458A
Application number: JP2010101238A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Hashizume; 泰彰橋詰; Tsutomu Kito; 勤鬼頭; Katsuhiko Hirabayashi; 克彦平林; Mikitaka Itou; 幹隆井藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】低消費電力である可変光減衰器、ならびに温度に依存した波長シフトが生じないDPSK受信回路となる、位相制御回路およびこの位相制御回路を用いた光干渉回路を提供する。
【解決手段】基板上における、２つのモード変換器と、これらを連結する複数の光導波路とからなる位相制御回路であって、複数の光導波路の間または外側に、ある材料を充填した溝を、複数の光導波路の上方および、または複数の光導波路の間の上方に薄膜ヒータを有する。熱光学定数の絶対値が光導波路の熱光学定数の絶対値より大きい、溝に充填された材料および、または光導波路の周囲の材料を用いることにより、低消費電力である可変光減衰器を実現する位相制御回路を提供する。さらに、上記の位相制御回路および、同様の構造であるが、溝を有さない位相制御回路、ヒータを有さない位相制御回路を複数適宜組み合わせることにより、温度に依存した波長シフトが生じないDPSK受信回路や波長合分波フィルタなどの光干渉回路を提供する。
【選択図】図５

Description

本発明は、熱光学効果を利用した位相制御回路およびこれを用いた光干渉回路に関する。

現在、通信容量を拡大するために、複数の光波長を用いた光波長多重通信システム（ＷＤＭシステム）の開発が盛んである。この光波長多重通信システムにおいて、個々の光波長の光強度ばらつきを抑制するための可変光減衰器は重要な光部品である。

従来から広く用いられている、光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計型の可変光減衰器の一例を図１に示す。これは、２つの方向性結合器１とそれらを連結するアーム導波路２（光導波路であるが、本発明である位相制御回路の内部で使用される光導波路を除く光導波路を、以下アーム導波路とする）から構成されるマッハツェンダ干渉計から構成されており、２つの方向性結合器１の間のアーム導波路２の上方に光導波路を加熱するための薄膜ヒータ３が装荷されている。薄膜ヒータ３に電流を流すと、薄膜ヒータ３の下方のアーム導波路が加熱されて屈折率が変化し、光信号の位相がこれに伴い変化する。薄膜ヒータに流す電流を調節することによってこのアーム導波路を伝搬する光信号の位相を調整し、マッハツェンダ干渉計から出力される光信号強度を可変できる。

このようなデバイスに用いられる光導波路の作製方法としては、図２に示す通り、次のようなものがある。

シリコン基板４上に火炎堆積法（ＦＨＤ）５を用いて、SiO₂を主体としたアンダークラッド層６、そして、SiO₂にGeO₂を添加したコア層７を堆積する。そして、コア層７について反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）８を用いてパターン化し、再び火炎堆積法を用いて、SiO₂を主体としたオーバークラッド層９を堆積して埋め込み型光導波路を作製する。

しかしながら、このマッハツェンダ干渉計型の可変光減衰器では、光信号強度を最大限に変化させるためには５００ｍW程度の消費電力が必要であり、複数を集積すると数十Ｗの消費電力が必要となり、如何にして消費電力を低減するかが課題であった。

一方、デジタル値を光の位相に対応させて伝送するデジタル変調方式の一つであるＤＰＳＫ（差動位相偏移変調）で使用されるＤＰＳＫ受信回路は、長さの異なる２本のアーム導波路２を有するマッハツェンダ干渉計を利用している。図３は従来型のＤＰＳＫ受信回路を示す。これは、光信号を入力側の多モード干渉計型結合器１１で分離した後、長いアーム導波路２を伝搬する光信号を短いアーム導波路２側を伝搬する信号に比べ１ビット遅延させた後、出力側の多モード干渉計型結合器１１で干渉させ、光の位相変調を強度変調へと変換し、位相検出を行うための回路である。ここで、長さの異なる非対称なマッハツェンダ干渉計では、温度によりアーム導波路２の屈折率が変化し、従って２本のアーム導波路２の光路長が温度によって変化する。さらに、２本のアーム導波路２は長さが互いに異なるため、それぞれのアーム導波路２の光路長の差も温度によって変動する。よって、それぞれのアーム導波路２を伝搬した光信号を、後段の多モード干渉計型結合器１１で干渉させ、位相検出を行う際に、（１ビット遅延ではなく）その遅延量が温度によって変動し、位相変調を強度変調として変換する際にその強度が温度によってばらつくこととなる。光の強度はその後、フォトダイオードによって電気信号に変換されるが、光強度の温度によるばらつきは、電気信号のばらつきへそのまま変換されるため、ＤＰＳＫの受信特性が変動することとなり、この温度依存性を解消することが課題であった。尚、ＤＰＳＫ受信回路における、アーム導波路の光路長の差の変動は、ＤＰＳＫ受信回路のフィルタの波長（周波数）特性としては、波長シフトとして観測できるため、以後、光路長の差の変動と波長シフトとは同じ現象を意味していることとする。

＜従来技術例１＞
消費電力を低減するための一つの方法として、石英ガラスより大きな熱光学効果を有するシリコンを利用した熱光学スイッチが提案されている（非特許文献１）。これは、シリコンの大きな熱光学定数（石英の＋２０倍）を利用したもので、アーム導波路を構成する３．５μm角の石英導波路の中に０．３μm角のシリコン導波路を埋め込んだ構造をしている。シリコンを埋め込んだ石英導波路ではシリコン導波路内にモードフィールドが多く分布しており、薄膜ヒータにより、石英導波路およびシリコン導波路が加熱され、シリコンの大きな熱光学定数によって、同程度の光の位相変化を得るために薄膜ヒータに流す電流を小さくすることが可能となり、低消費電力化が可能となる。

＜従来技術例２＞
また、消費電力を解消する別の方法として、石英ガラスより大きな熱光学効果を有する有機材料を用いた熱光学スイッチが提案されている（特許文献１）。これは、アーム導波路の途中に、アーム導波路を分断する溝が配置され、溝にアーム導波路の熱光学効果よりも大きな熱光学効果を有する有機材料を用いることによって、従来技術例１と同様に、低消費電力化が可能となる。

特開２０００−０２９０７９号公報

R. Kasahara et al.,「Extremely low power consumption thermooptic switch (0.6 mW) with suspended ridge and silicon-silica hybrid waveguide structures」,ECOC 2008, 21-25 September 2008, Brussels, Belgium

しかし、従来技術例１においては、シリコン埋め込み光導波路を配置することにおいて、2.8dBの過剰損失が発生するという課題を有していた。

従来技術例２においては、アーム導波路を分断する溝は導波構造がないため、溝に充填された有機材料内を伝搬する光は閉じ込められず放射し、原理的な過剰損失がするという課題を有していた。

従来技術例３においては、ＤＰＳＫ受信回路の温度に依存した波長シフトによってＤＰＳＫ受信回路の受信特性が温度によって変化し、この温度依存性を解消することが課題であった。

そこで、本発明の目的は、これらの課題を解決し、低消費電力である可変光減衰器、ならびに温度に依存した波長シフトが生じないＤＰＳＫ受信回路となる、位相制御回路およびこの位相制御回路を用いた光干渉回路を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の位相制御回路およびこの位相制御回路を用いた光干渉回路は、請求項１乃至７であることを特徴とする位相制御回路およびこの位相制御回路を用いた光干渉回路である。

従来型の光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計型の可変光減衰器を示す概略図である。代表的な光導波路の作製方法を示す図である。従来型のＤＰＳＫ受信回路の概略図である。本発明の実施例１にかかる熱光学型可変光減衰器を示す概略図である。図４に記載の位相制御回路の上面構造図である。本発明の実施例１にかかる位相制御回路におけるモードフィールドの変化を説明する図である。実施例１および実施例２の閉じ込め係数を求めるために用いた計算モデルを示す図である。本発明の実施例１のその他の例にかかるその他の位相制御回路の詳細図である。本発明の実施例１のその他の例にかかる位相制御回路におけるモードフィールドの変化を説明する図である。本発明の実施例２にかかるＤＰＳＫ受信回路の概略図である。図１０の位相制御部１の上面構造図である。

［実施例１］
図４に本発明の実施例１にかかる熱光学型可変光減衰器の回路構成を示す。これは、回路から出力される光信号強度を可変する機能を有する。

実施例1の回路構成を以下に説明する。この可変光減衰器は、２つの方向性結合器１と、これらを連結するアーム導波路２とからなるマッハツェンダ干渉計であり、アーム導波路２に位相制御回路１２が配置されている。図５に実施例１にかかる位相制御回路１２を示す。この位相制御回路は、２つのモード変換器１３と、これらを連結する２本の光導波路とからなり、２つのモード変換器１３で挟まれたそれぞれの光導波路は、テーパ導波路１４を介して中央部で一旦細くなる構成となっている。中央部の幅の細い光導波路１５は１．５μｍ幅であり、２本の幅の細い光導波路１５の間には溝１６が形成されており、有機材料が充填されている。２本の幅の細い光導波路１５の上方には、加熱用の薄膜ヒータ３が装荷されている。光導波路は、図２に示す作製手順により作製できる、SiO₂を主体としたアンダークラッド６およびオーバークラッド９と、SiO₂にGeO₂を添加したコア１０とからなる埋め込み型光導波路を用いた。コア１０の屈折率は約1.48、コア１０の周囲のアンダークラッドおよびオーバークラッドの屈折率は約1.44、コア１０の断面形状は3.5μｍ角の矩形である。有機材料を充填するための溝１６は、フォトリソグラフィにより所望のパターン化を行い、オーバークラッド９からアンダークラッド６にかけて貫通するようにエッチングすることで作製され、この溝１６に、屈折率が約１．４６であって熱光学定数が石英の−３０倍程度の有機材料を充填する。

以下に、動作原理と低消費電力化が可能となる機構を説明する。実施例１の入力導波路に入射した光信号は、第１の方向性結合器１において、２本のアーム導波路２のそれぞれに等しく分配され、アーム導波路２を伝搬する。アーム導波路を伝搬した光信号に、位相制御回路１２により図６に示すモード変換が行われる。位相制御回路１２のモード変換器１３の入力導波路の図６における地点Ａでは単峰型のモードフィールドが励振されており、モード変換器１３により双峰型のモードフィールドに変換される（図６の地点Ｂ）。次に、モード変換器１３は２本の光導波路に接続され、所望のモードフィールドを得るためテーパ形状により導波路は狭くなっており、モード変換器の中央部でもモードフィールドは双峰型のモードフィールドとなっている（図６の地点Ｃ）。ここで重要なのは、複数の導波路が互いに近接している場合、それぞれの導波路の間にもモードフィールドが多く分布する点である。図６の地点Ｃにおいて、２本の光導波路の間には、熱光学定数が石英の−３０倍の有機材料が充填されており、２本の光導波路の上方の薄膜ヒータを加熱することによって、これらの有機材料および光導波路が加熱される。この時、光のモードフィールドは屈折率の高い２本の光導波路上に極大値を有する双峰型であるが、図６の地点Cの波形の断面図に示すように、２つの極大値間にもモードフィールドが存在しており、充填された有機材料内にも多くモードフィールドが分布している。有機材料が石英の−３０倍の熱光学定数を有するため、消費電力を低下させることができる。この機構は後に詳細に述べる。

以上より、薄膜ヒータによる加熱により位相を変化された光信号と、他方のアーム導波路を伝搬した光信号は、第二の方向性結合器で結合され、それぞれのアーム導波路を伝搬した光信号の位相差に応じて二本の出力導波路への分岐比が変化する。

以下に、低消費電力化について、詳細に説明する。図６の地点Cにおけるモードに関して、有機材料内に閉じ込められているモードのパワーの割合を知るために下式で与えられる閉じ込め係数Γを計算した。

ここで、Pはポインティングベクトルの総和、P_Ωは対象となる領域Ωにおけるポインティングベクトルの総和である。領域Ωは有機材料を充填した領域を示す。図６の地点Cの断面における閉じ込め係数を計算した。計算のための断面のモデル図を図７に示す。図７を参照すると、地点Cの断面は、光導波路であるコア１０の断面が横1.5μm、縦が3.5μm、２本のコア１０の中心の間隔が4.5μm、有機材料１７が充填された溝の幅が3μmの構造をなす。計算の結果、有機材料１７内におけるパワー分布（閉じ込め係数）はTE偏波で45.9%、TM偏波で44.7%となった。

次に、実施例１において使用する有機材料の熱光学定数は石英の約−30倍であるので、位相変化部における石英の熱光学定数で規格化した実効的な熱光学定数

は下式で与えられる。

これを計算すると、規格化された実効的な熱光学効果

はTE偏波で-13.2、TM偏波で-12.9となる。したがって、図１に示される従来型の熱光学型可変光減衰器に比べ、本発明の実施例１における熱光学型可変光減衰器の消費電力はTE偏波で1/13.2倍、TM偏波で1/12.9倍となり大幅な低消費電力化が可能となる。

位相制御回路の構成としては、実施例１の他の例として図８に示される構成がある。これは、１×２分岐回路１８と２×１結合回路１９とそれらを結ぶ２本の光導波路１５から構成されており、２本の光導波路１５間の幅は位相制御回路の中心に近くなるほど狭くなっている。実施例１と同様に２本の光導波路１５の間には溝を配置し、石英よりも熱光学効果の大きな有機材料を充填し、２本の導波路１５の上方には薄膜ヒータを装荷する。

次に、位相制御回路内の各位置に対するモードフィールドの変化を図９を用いて説明する。位相制御回路内の１×２分岐回路の入力部（図９の地点Ａ）では単峰型のモードフィールドが励振されており、１×２分岐回路により図９の地点Ａにおける単峰型と同じ形状の２つのモードフィールドが生成される（図９の地点Ｂ）。次に、２本の光導波路に接続され、２本の光導波路は互いに近接し、かつ、テーパ形状により導波路は狭くなる。その結果、中央部におけるモードフィールドは双峰型のモードフィールドとなり（図９の地点Ｃ）、本実施例と同様な効果が得られる。

実施例１においては、位相制御回路として、２本の光導波路の間に溝を形成し、熱光学定数の絶対値が石英ガラスに比べ大きな有機材料を充填した。しかしながら、例えば、オーバークラッドを、熱光学定数の絶対値が石英ガラスに比べ大きな有機材料に置き換えることによっても同様の機能が実現できることは明白である。

実施例１では、有機材料として、有機材料の上に薄膜ヒータを作製することが困難な材料を使用したため、有機材料の上に薄膜ヒータを装荷することは困難であったが、上に薄膜ヒータを作成できる有機材料を選別すれば、薄膜ヒータは複数の光導波路の直上だけでなく、光導波路の間の直上（本実施例では溝を形成するため配置できなかった部分）にも薄膜ヒータを形成することが可能となり、有機材料を効率よく加熱できる。

また、有機材料を充填する溝は光導波路の間に作成したが、溝を光導波路の外側に作製しても同様の機能が得られることも明白である。

［実施例２］
図１０に本発明の実施例２における温度無依存ＤＰＳＫ受信回路の回路構成を示す。実施例２におけるＤＰＳＫ受信回路は、２つの多モード干渉計型結合器１１と、多モード干渉計型結合器１１間に挟まれた長さの異なる２本のアーム導波路２からなるマッハツェンダ干渉計回路であり、それぞれのアーム導波路２内にはそれぞれ位相制御回路１２が配置されている。位相制御回路１２は実施例１とほぼ同様であるが、異なる点は、長いアーム導波路に配置された位相制御回路１２は、薄膜ヒータは有さないが有機材料を充填した溝１５を有し、短いアーム導波路に配置された位相制御回路１２は、薄膜ヒータも有機材料を充填した溝も有さない。図１１にそれぞれの位相制御回路の詳細図を示す。

次に、実施例２におけるＤＰＳＫ受信回路の機能を図１０および図１１を参照しながら説明する。このＤＰＳＫ受信回路は、光信号を入力側の多モード干渉計型結合器１１で分離した後、長いアーム導波路２を伝搬する光信号を短いアーム導波路２側の信号に比べ１ビット遅延させた後、出力側の多モード干渉計型結合器１１で干渉させ、位相検出を行うための回路である。よって、４０ＧｂｐｓのＤＰＳＫ信号を受信するためには、２本のアーム導波路２に所望の光路長差が必要となる。一般に、この光路長差は物理的な光導波路の長さの差で与えるため、長さの非対称なマッハツェンダ干渉計が必要となる。

ここで、I₀は入力光の光強度、ｎは実効屈折率、Ｌ１は短い方のアーム導波路２の長さ、ΔＬは二本のアーム導波路２の長さの差、λは光信号の波長、cは光速を示す。これより、スルーポートに最も透過する光信号波長λ_cは下式で表すことができる。

さらに、これの温度依存性は、温度Ｔで微分して、下式となる。

ここで、ｄｎ／ｄｔは屈折率の温度依存性（熱光学定数）を示す。つまり、非対称なマッハツェンダ干渉計では温度により屈折率が変化して、これに伴い波長シフトが発生しＤＰＳＫ受信回路の性能が温度により変化することとなり、この温度依存性を解消することが課題であった。これを解消するため、本特許に記載の位相制御回路を利用する。

これらの結果を用いて、ＤＰＳＫ受信回路の設計を行なった。

次に、１ビットの遅延を与えるためには、下式を満たす必要がある。

ここで、ｎｇは群屈折率、ｃは光速、ＢｉｔＲａｔｅは光信号のビットレートを示す。

以上より、式（ａ）および（ｂ）を満たすようなパラメータを選択すれば、温度無依存なＤＰＳＫ受信回路を設計・作製することが可能となる。

具体的な設計パラメータは、ΔＬは5.04mm、Δｌは355μmとなる。

本実施例においては、導波路およびクラッドいずれも石英ガラスを主体とした材料を用いたが、この組み合わせに限らず、たとえば、導波路をシリコン、石英ガラス、半導体、ポリマーのいずれかとし、クラッドを石英ガラス、半導体、ポリマーのいずれかとした場合でも、同様な効果が得られることは明白である
実施例２においては、位相制御回路として、二本の光導波路の間に溝を形成し、熱光学定数が正負逆となる有機材料を配置した。しかしながら、例えば、オーバークラッドを熱光学定数が正負逆となる有機材料に置き換えることによっても同様な機能が実現できることは明白である。

このようにして、本発明である位相制御回路を、位相制御回路内の光導波路の間に溝を有するまたは有しない、およびヒータを有するまたは有しない、および正または負の熱光学定数を有する有機材料、および正または負の熱光学定数を有するクラッドを有する位相制御回路を、光干渉回路によって適宜組み合わせることによって光干渉回路に組み込み、ＤＰＳＫ受信回路などの光干渉計で生じる温度による波長シフトを解消することができる。また、ＤＰＳＫ受信回路に限らず、アレイ導波路回折格子などの、２つの結合、分岐回路とそれらを接続する長さの互いに異なる導波路からなる波長合分波フィルタの温度による波長シフトについても、実施例２と同様の方法で本発明である位相制御回路を用いることによって、温度依存性を解消することができる。

１方向性指示器
２アーム導波路
３薄膜ヒータ
４シリコン基板
５火炎堆積法（ＦＨＤ）
６アンダークラッド層
７コア層
８反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）
９オーバークラッド層
１０コア
１１多モード干渉計型結合器
１２位相制御回路
１３モード変換機
１４テーパ導波路
１５光導波路
１６溝
１７有機材料
１８１×２分岐回路
１９２×１結合回路

Claims

基板上の光導波路で構成される光回路において使用される位相制御回路であって、
基本モードを高次モードに変換する第1のモード変換部と、
前記第１のモード変換部に連結され、前記第１のモード変換部によって変換された前記高次モードの光を伝達させる複数本の光導波路と、
前記複数本の光導波路を連結し、前記高次モードを基本モードに変換する第二のモード変換部と
を備え、前記複数本の光導波路の間を構成する材料の熱光学定数の絶対値が、前記複数本の光導波路が構成する材料の熱光学定数の絶対値よりも大きいことを特徴とする位相制御回路。
前記複数本の光導波路の上方または前記複数本の光導波路の間の上方に薄膜ヒータを装荷したことを特徴とする請求項１に記載の位相制御回路。
基板上の光導波路で構成される光回路において使用される位相制御回路であって、
基本モードを高次モードに変換する第1のモード変換部と、
前記第１のモード変換部に連結され、前記第１のモード変換部によって変換された前記高次モードの光を伝達させる複数本の光導波路と、
前記複数本の光導波路を連結し、前記高次モードを基本モードに変換する第二のモード変換部と
を備え、前記複数本の光導波路の間を構成する材料の熱光学定数が、前記複数本の光導波路が構成する材料の熱光学定数に対して正負逆であることを特徴とする位相制御回路。
前記複数本の光導波路の上方または前記複数本の光導波路の間の上方に薄膜ヒータを装荷したことを特徴とする請求項３に記載の位相制御回路。
基板上の光導波路で構成される光回路において使用される位相制御回路であって、
基本モードを高次モードに変換する第1のモード変換部と、
前記第１のモード変換部に連結され、前記第１のモード変換部によって変換された前記高次モードの光を伝達させる複数本の光導波路と、
前記複数本の光導波路を連結し、前記高次モードを基本モードに変換する第二のモード変換部と
を備え、前記複数本の光導波路の間、または外側に溝が配置され、前記溝の中に前記複数本の光導波路が構成する材料の熱光学定数の絶対値よりも大きい熱光学定数を有する材料を充填したことを特徴とする位相制御回路。
前記複数本の光導波路の上方または前記複数本の光導波路の間の上方に薄膜ヒータを装荷したことを特徴とする請求項５に記載の位相制御回路。
基板上の光導波路で構成される光回路において使用される位相制御回路であって、
基本モードを高次モードに変換する第1のモード変換部と、
前記第１のモード変換部に連結され、前記第１のモード変換部によって変換された前記高次モードの光を伝達させる複数本の光導波路と、
前記複数本の光導波路を連結し、前記高次モードを基本モードに変換する第二のモード変換部と
を備え、前記複数本の光導波路の間、または外側に溝が配置され、前記溝の中に前記複数本の光導波路が構成する材料の熱光学定数に対して正負逆である熱光学定数を有する材料を充填したことを特徴とする位相制御回路。
前記複数本の光導波路の上方または前記複数本の光導波路の間の上方に薄膜ヒータを装荷したことを特徴とする請求項７に記載の位相制御回路。
基板上の光導波路で構成される光干渉回路であって、
光分岐部と、
１つまたは複数の、請求項１乃至８に記載の位相制御光回路と、
光結合部と、
前記光分岐部と、前記１つまたは複数の、請求項１乃至８に記載の位相制御光回路との間、および前記１つまたは複数の、請求項１乃至８に記載の位相制御光回路と、前記光結合部との間をそれぞれ連結する複数本の光導波路と
を備え、前記１つまたは複数の、請求項１乃至８に記載の位相制御光回路を適宜選択し用いることによって光干渉回路の温度依存性によって生じる波長シフトを解消することを特徴とする光干渉回路。