JP2018045145A - 光合波回路 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ発振波長の温度依存性を追従する低損失なＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）で構成された光合波回路を提供する。【解決手段】互いに異なる波長のＮ個の信号光を出力するレーザ光源を備えたＴＯＳＡ（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｙ）に搭載される光合波回路２１であって、石英ガラスで形成された、Ｎ個の入力導波路２２および１つ以上の出力導波路と、入力導波路および出力導波路の間に設けられた２つのスラブ導波路２３、２５と、２つのスラブ導波路の間に設けられた長さの異なる複数の導波路が並列したアレイ導波路２４と、を備え、アレイ導波路の一部に、石英ガラスの温度依存性よりも高い温度依存性を有する材料を含む調整部２７を設けて、アレイ導波路の温度依存性をレーザ光源の温度依存性と一致させた。【選択図】図２

Description

本発明は光合波回路に関する。

近年の通信トラヒックの増大に対応するため、１００Ｇｂｉｔ／ｓでの光通信（１００Ｇｂｉｔ通信）技術への要求が高まっている。１００Ｇｂｉｔ通信では、２５Ｇｂｉｔ／ｓの４波のＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing ）技術が用いられている。かかる通信の終端において用いられるＴＯＳＡ（Transmitter Optical SubAssembly）およびＲＯＳＡ（Receiver Optical SubAssembly）を図７に示す。

ＴＯＳＡ１００では、並列した４つのレーザ１０１から出力される４つの異なる波長の光を、フィルタ１０２を介して合波して通信ファイバ３０１に出力している。他方のＲＯＳＡ２００では、通信ファイバ３００から入力された前記波長多重光を、フィルタ２０２を介して分波して並列した４つのＰＤ２０１で受光している。現在、フィルタ１０２、２０２としては、屈折率の異なる膜を多層に積み重ねて構成される誘電体多層膜フィルタ（ＴＦＦ：Thin Film Filter）やＰＬＣ（planar lightwave circuit）上に形成されたＡＷＧ（arrayed-waveguide grating）で構成されたＰＬＣフィルタが知られている。これらのうち、現在では、ＴＦＦフィルタを用いたＴＯＳＡ１００およびＲＯＳＡ２００が主流となっている。

しかしながら、近年の装置小型化の要求に対応するには、ＴＦＦフィルタよりもＰＬＣフィルタを用いることが望まれている。ＴＦＦフィルタは、積み重ねる膜の種類と膜を積み重ねるピッチでフィルタ特性が決定されるため、その設置には精度が要求され、小型装置内への実装は困難である。一方でＰＬＣフィルタは、平面上に色々な機能を実現できる上に、高精度加工技術を用いて容易に量産可能であり、小型装置内への実装は比較的容易である。

また、ＴＯＳＡ１００、ＲＯＳＡ２００内で用いられるフィルタ１０２、２０２は、通信品質の観点から、広い透過帯域において低損失なフィルタを用いることが好ましい。図８に４波ＷＤＭのＴＯＳＡ内のＰＬＣフィルタ上に形成されるＡＷＧを示す。ＴＯＳＡ用のＡＷＧ６０では、４つのレーザ１０１(図７)から出力された光が４本の入力導波路６３から入力され、第１のスラブ導波路６４と、アレイ導波路６５と、第２のスラブ導波路６６とを介して合波され、波長多重信号光となって出力導波路６７から出力される。ＲＯＳＡ用のＡＷＧは図８のＡＷＧの入力導波路６３と出力導波路６７を入れ替えた構成となっている。ＴＯＳＡ用のＡＷＧは光合波回路として機能し、ＲＯＳＡ用のＡＷＧは光分波回路として機能する。

通常ＡＷＧでは、出力導波路の幅は、その導波路に入力される波長帯域の幅に応じて設計される。よって、その出力導波路から出力しようとする帯域幅を広くするためには、出力導波路の幅を広げる必要があるが、導波路の幅を広げていくと、光伝搬モードがマルチモード化することが知られている。

ＲＯＳＡ２００内で用いられるＡＷＧでは、出力導波路は光伝搬モードがシングルモードである必要がなく、受け側のＰＤ２０１も広い口径のものを利用すれば、幅広のマルチモード導波路を出力導波路に用いても低損失での受光が可能である。かかるＲＯＳＡ用のＡＷＧは、マルチモード導波路型フラットフィルタとして提案されている。

特許第５１８０１１８号公報

しかしながら、ＴＯＳＡ１００内で用いられるフィルタ１０２としては、入力側ではＬＤ１０１とシングルモードでの結合が必須となるため、入力導波路６３にマルチモード導波路を適用できず、広帯域において低損失なＰＬＣフィルタを実現するには至ってない。

ＴＯＳＡに要求される帯域幅は通常、中心波長から上下に６．５ｎｍ幅、すなわち全幅で１３ｎｍの透過帯域を必要とする。これは、レーザ個体差により４ｎｍ、レーザ温度依存性により９ｎｍをそれぞれ必要とする。また、良好な通信のためには、透過帯域の損失を一定に低く保つ必要がある。こうした温度依存性を解消するために、レーザに温調手段を設けることが考えられるが、温調手段を設けたレーザは非温調タイプに比べて非常に高価であるため、利用が限られている。

シングルモード導波路を用いたフィルタには、透過特性が中心波長を頂点としてＧａｕｓｓ型の特性を有するＧａｕｓｓ型フィルタと透過特性が平坦なＦｌａｔ型フィルタとがある。図９、図１０にＴＯＳＡにおけるＧａｕｓｓ型フィルタとＦｌａｔ型フィルタをそれぞれ示す。図９に示すように、２０ｎｍの隣接チャネル間隔に対して、例えば、Ｇａｕｓｓ型フィルタでは全幅で４ｎｍの透過帯域しか設定できないのに対し、図１０に示すＦｌａｔ型フィルタであれば全幅で１３ｎｍ以上の透過帯域を設定できる。しかしながら、そのフィルタとしての特質から、Ｇａｕｓｓ型フィルタだと、透過帯域外側で挿入損失（ＩＬ：Ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）が増加するものの、透過帯域の中心波長では挿入損失を低くできる。一方、Ｆｌａｔ型フィルタだと、フィルタ特性は平坦なものの、透過帯域全体で挿入損失が大きくならざるを得ないという傾向がある。よって、Ｇａｕｓｓ型フィルタの中心波長が透過波長の中心と一致したときに損失は最も低く抑えられるといえる。

また、レーザは発振波長が温度依存性を有し、発振波長が温度によってドリフトしてしまう。レーザと同様に、ＡＷＧフィルタもフィルタ特性が温度依存性を有するため、透過帯域の中心波長が温度によってドリフトする。したがって、レーザの発振波長が温度でドリフトする分をＡＷＧフィルタが追従できれば、フィルタに要求される帯域幅の要件が緩和する。しかしながら、レーザの発振波長の温度依存性は０．１ｎｍ／℃であるのに対し、ＡＷＧフィルタの透過帯域の中心波長の温度依存性は０．０１ｎｍ／℃と、レーザの約１０分の１程度にすぎない。

また従来から、こうした温度依存性を抑制したアサーマルＡＷＧが知られている。アサーマルＡＷＧを図１１に示す。アサーマルＡＷＧ７０は、図８のＡＷＧ６０のアレイ導波路の一部に温度依存性を補償する温度補償材料部６８を設けた構成である。アサーマルＡＷＧ２０では、アレイ導波路６５の一部において、ＡＷＧを構成する石英ガラスの導波路に溝を形成して、シリコーン樹脂などの温度依存性の非常に高い材料を埋め戻すことで、温度補償材料部６８を形成している。シリコーン樹脂の屈折率温度係数の絶対値は石英ガラスの導波路の約３０倍の温度依存性を有しており、かかる材料でＡＷＧの温度依存性を補償している。

本発明者らは、かかる高い温度依存性を示す材料を用いてＡＷＧの中心波長が積極的に動くように構成することによって、レーザの温度依存性によって発振波長がドリフトする分をＡＷＧに追従させることができれば、フィルタの要求要件が緩和されることを見出し、本発明に至った。

本発明の課題は、レーザ発振波長の温度依存性を追従する低損失なＡＷＧで構成された光合波回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、互いに異なる波長のＮ個の信号光を出力するレーザ光源を備えたＴＯＳＡに搭載される光合波回路であって、石英ガラスで形成された、Ｎ個の入力導波路および１つ以上の出力導波路と、前記入力導波路および前記出力導波路の間に設けられた２つのスラブ導波路と、前記２つのスラブ導波路の間に設けられた長さの異なる複数の導波路が並列したアレイ導波路と、を備え、前記アレイ導波路の一部に、前記石英ガラスの温度依存性よりも高い温度依存性を有する材料を含む調整部を設けて、光合波回路の中心波長の温度依存性を前記レーザ光源の発振波長の温度依存性と一致させたことを特徴とする光合波回路である。

他の実施形態に記載の発明は、互いに異なる波長のＮ個の信号光を出力するレーザ光源を備えたＴＯＳＡに搭載される光合波回路であって、石英ガラスで形成された、Ｎ個の入力導波路および１つ以上の出力導波路と、前記入力導波路および前記出力導波路の間に設けられた２つのスラブ導波路と、前記２つのスラブ導波路の間に設けられた長さの異なる複数の導波路が並列したアレイ導波路と、を備え、前記スラブ導波路の一部に、前記石英ガラスの温度依存性よりも高い温度依存性を有する材料を含む調整部を設けて、光合波回路の中心波長の温度依存性を前記レーザ光源の発振波長の温度依存性と一致させたことを特徴とする光合波回路である。

光合波回路を搭載したＴＯＳＡの構成例を示す図である。 第１の実施形態の光合波回路の構成例を示す図である。 調整部の有無による中心波長の温度依存性の変化を示す図である。 レーザ光源の発振波長の温度変化と第１の実施形態の光合波回路の中心波長の温度変化を示す図である。 第２の実施形態の光合波回路の構成例を示す図である。 スラブ導波路とアレイ導波路との対応関係を示す図である。 ＴＯＳＡおよびＲＯＳＡを示す図である。 ４波ＷＤＭのＴＯＳＡ内のＰＬＣフィルタ上に形成されるＡＷＧを示す図である。 ＲＯＳＡにおけるＧａｕｓｓ型フィルタのプロファイルを示す図である。 ＲＯＳＡにおけるＦｌａｔ型フィルタのプロファイルを示す図である。 アサーマルＡＷＧの構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態の光合波回路は、互いに異なる波長の複数の信号光が入力されると、これらを合波して１つの多重化された信号光を出力するＴＯＳＡ用のモジュールとして用いることができる。まず、光合波回路を搭載したＴＯＳＡの構成について説明する。以下の実施形態では、４波長が多重化された信号光を出力するＴＯＳＡ（４波ＷＤＭ用ＴＯＳＡ）を例に挙げて以下に説明するが、波長数はこれに限定されない。波長は、１２７１、１２９１、１３１１、１３３１ｎｍの４波や１３５１、１３７１、１３９１、１４１１ｎｍの４波でもよいが、これに限定されない。

（第１の実施形態）
図１は本実施形態の光合波回路を搭載したＴＯＳＡの構成例を示す図である。ＴＯＳＡ１０は、４つのレーザ光源１１と、光フィルタ回路１２と、出力ファイバ１３とを備えて構成される。レーザ光源１１は、互いに異なる波長の４つの信号光を出力する。光フィルタ回路１２は、これらの４つの信号光を合波して１つの波長多重化された信号光を出力ファイバ１３に出力する。出力ファイバ１３はシングルモードの光ファイバが用いられる。光フィルタ回路１２として光合波回路を搭載することができる。

図２は本実施形態の光合波回路の構成例を示す図である。光合波回路２１は、シリコン基板上に、石英ガラスで形成された、複数の入力導波路２２と、第１のスラブ導波路２３と、アレイ導波路２４と、第２のスラブ導波路２５と、１本の出力導波路２６とが順次接続された、いわゆるＡＷＧ（Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ）を形成し、さらにアレイ導波路２４の一部に調整部２７を設けた構成である。光合波回路２１は、ＴＯＳＡのフィルタ回路１２（図１）として用いることができる。

複数の入力導波路２２は、ＴＯＳＡ１０のレーザ光源１１から出力された互いに異なる波長の複数の信号光が入力され、これらの信号光を導波する複数の導波路である。本実施形態では、４つの信号光を導波するべく４本の導波路で構成されている。

第１のスラブ導波路２３は、４本の入力導波路２２から入力された４つの信号光を干渉させて、アレイ導波路２４に光結合する。

アレイ導波路２４は、第１のスラブ導波路に対して並列に接続された長さの異なる複数の導波路により構成されている。複数の導波路は、隣接する導波路に対して所定の光路長ΔＬずつ長さが長くなるように構成されており、第１のスラブ導波路２３から入力された４つの信号光に対して波長ごとに異なる位相差を与える。位相差が与えられた複数の信号光は、第２のスラブ導波路２５に光結合する。

第２のスラブ導波路２５は、アレイ導波路２４から入力された、互いに異なる波長の４つの信号光を干渉させて、１本の出力導波路２６が接続された位置に集光させるように構成される。

調整部２７は、アレイ導波路２４を構成する石英ガラスよりも温度依存性の高い材料であるシリコーン樹脂などを用いて構成することができる。調整部２７は、アレイ導波路２４を構成する石英ガラスに溝を形成して、シリコーン樹脂などを埋め戻すことで設けることができる。図１においては調整部２７が２つ設けられているが、個数はこれに限定されない。

また、調整部２７は、アレイ導波路２４の一番短い導波路に対しては一番長い光路長に亘って形成され、これに隣接する導波路に対しては一番長い光路長よりもΔＬ’だけ短い光路長に亘って形成され、さらに隣接する導波路に対しては順にΔＬ’ずつ短くなり、アレイ導波路２４の一番長い導波路に対しては一番短い光路長に亘って形成される。調整部２７は、好ましくはアレイ導波路２４の一番短い導波路に底辺を有する三角形状に形成される。因みに、従来から知られているアサーマルＡＷＧでは、本実施形態の光合波回路とは逆に、シリコーン樹脂が、一番長い導波路に対して一番長い光路長に亘って形成され、一番短い導波路に対して一番短い光路長に亘って形成される。

光合波回路における中心波長λ（ｔ）の基本式は、アレイ導波路２４の光路長差ΔＬとアレイ導波路２４の屈折率ｎｃ（ｔ）、調整部２７の光路長差ΔＬ’と調整部２７の屈折率ｎ’（ｔ）、回折次数ｍとを用いて、次式（１）の通り表される。

ここで、調整部２７を構成するシリコーン樹脂の屈折率ｎ’（ｔ）は、アレイ導波路２４を構成する石英ガラスの屈折率ｎｃ（ｔ）の約マイナス３０倍である。すなわち、ｎ’（ｔ）≒−３０ｎｃ（ｔ）が成立する。

また、調整部２７の形状を温度変化による影響を増大させるように形成する。すなわち、ΔＬ’≒−（ΔＬ／３．４）が成立するように調整部２７の形状を設定する。すなわち、アレイ導波路２４の長さが長くなるのとは逆に調整部２７の長さが短くなり、調整部２７の長さの変化量ΔＬ’はアレイ導波路２４の変化量ΔＬの３．４分の１であるように形成される。

上記のように、調整部２７のシリコーン樹脂の屈折率および形状を設定することによって、光合波回路における中心波長λ（ｔ）≒１０ｎｃ（ｔ）ΔＬ／ｍが成立する。これは、光合波回路の温度依存性が従来の約１０倍となることを意味する。

ここで、図３は、調整部の有無による光合波回路における中心波長の温度依存性の変化を示す図であり、図４は、レーザ光源の発振波長の温度変化と本実施形態の光合波回路の中心波長の温度変化を示す図である。図３には、調整部２７を設けない従来の構成の光合波回路における中心波長の温度依存性と、調整部２７を設けた本実施形態の光合波回路における中心波長の温度依存性が示されている。図３に示すように、本実施形態の光合波回路における中心波長の温度依存性は、従来の構成の光合波回路における中心波長の温度依存性の約１０倍である。ＴＯＳＡ１０に光フィルタ回路１２として搭載された光合波回路２１に、信号光を出力するレーザ光源１１の発振波長の温度依存性も従来の光合波回路の温度依存性の約１０倍あり、本実施形態の光合波回路２１の温度依存性は、これにほぼ一致する。

図４に示すように、本実施形態の光合波回路の透過帯域は、Ｇａｕｓｓ型のプロファイルを有している。その中心波長は、温度変化にしたがって、上下に４．５ｎｍ変化する（ｂで示す範囲）。これは、レーザ光源の発振波長の温度変化による変化量（ａで示す範囲）と一致しており、本実施形態の光合波回路２１の透過帯域の中心波長は、温度変化に対し、レーザ光源の発振波長と同様に変化する。すなわち、本実施形態の光合波回路２１では、温度変化に伴って、レーザの発振波長がシフトするのに追従して、光合波回路２１の透過帯域の中心波長もシフトする。したがって、透過帯域のＧａｕｓｓカーブの頂点が、レーザの発振波長に一致するようにシフトするので、低損失化が達成できる。 このように、本実施形態によれば、非温調タイプのレーザを用いた場合においても低損失な光合波回路が実現できる。

さらに、本発明に用いるＡＷＧは、シリコン基板上に形成されたものに限定されるものではなく、石英ガラス、セラミック、プラスチック、他の半導体基板上に形成することもできる。

(第２の実施形態)
図５は、第２の実施形態の光合波回路の構成例を示す図である。第２の実施形態では、第１の実施形態においてアレイ導波路に配置していた調整部を、スラブ導波路に配置している点が異なるが、その他の構成は第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

本実施形態の光合波回路３０では、図５に示すように、調整部２７は、入力側のスラブ導波路２３に設けることができる。しかしながら、これに限らず、調整部２７を出力側のスラブ導波路２５に設けてもよいし、入力側のスラブ導波路２３および出力側のスラブ導波路２５の両方に設けてもよい。

本実施形態のようにスラブ導波路に調整部２７を設ける場合も、アレイ導波路を基準として調整部の形状を設定することができる。図６はスラブ導波路とアレイ導波路との対応関係を示す図である。スラブ導波路では、各導波チャネルに光路長差は存在しない。しかしながら、スラブ導波路のどの位置を導波する光がどのアレイ導波路へ導光するのかは確定している。したがって、スラブ導波路２３、２５内に、アレイ導波路と共通する導波チャネルが形成されているので、そのスラブ導波路内の位置に調整部を配置すればよい。

スラブ導波路２３、２５に調整部２７を形成する場合、第１の実施形態でアレイ導波路２４に調整部２７を形成したのと同様に、スラブ導波路２３、２５を構成する石英ガラスに溝を形成して、シリコーン樹脂などを埋め戻すことで設けることができる。

調整部２７は、具体的には、図６に示すように、それぞれのスラブ導波路２３、２５内の、アレイ導波路２４の一番短い導波路に対応する位置に一番長い光路長に亘って形成され、これに隣接する導波路に対応する位置には一番長い光路長よりもΔＬ’だけ短い光路長に亘って形成され、さらに隣接する導波路に対応する位置には順にΔＬ’ずつ短くなり、アレイ導波路２４の一番長い導波路に対応する位置には一番短い光路長に亘って形成される。スラブ導波路２３、２５は、アレイ導波路２４と同じ石英ガラスにより構成されているので、調整部２７を設ける前の光合波回路の構造が同じ場合、第１の実施形態のΔＬ’と第２の実施形態のΔＬ’は同じ値になる。さらに、調整部２７は、それぞれのスラブ導波路２３、２５内においてアレイ導波路２４の近接した位置に設けることが好ましい。

本実施形態のようにスラブ導波路に調整部２７を設けた場合も、非温調タイプのレーザを用いた場合においても低損失な光合波回路が実現できる。

１０ ＴＯＳＡ
１１ レーザ光源
１２ 光フィルタ回路
１３ 出力ファイバ
２１ 光合波回路
２２ 入力導波路
２３ 第１のスラブ導波路
２４ アレイ導波路
２５ 第２のスラブ導波路
２６ 出力導波路
２７ 調整部

Claims (10)

1. 互いに異なる波長のＮ個の信号光を出力するレーザ光源を備えたＴＯＳＡに搭載される光合波回路であって、
   石英ガラスで形成された、Ｎ個の入力導波路および１つ以上の出力導波路と、前記入力導波路および前記出力導波路の間に設けられた２つのスラブ導波路と、前記２つのスラブ導波路の間に設けられた長さの異なる複数の導波路が並列したアレイ導波路と、を備え、
   前記アレイ導波路の一部に、前記石英ガラスの温度依存性よりも高い温度依存性を有する材料を含む調整部を設けて、光合波回路の中心波長の温度依存性を前記レーザ光源の発振波長の温度依存性と一致させたことを特徴とする光合波回路。
2. 前記調整部は、前記アレイ導波路の複数の導波路のうち、一番短い導波路に対して最も長い光路長に亘って設けられ、一番長い導波路に対して最も短い光路長に亘って設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の光合波回路。
3. 前記調整部は、前記アレイ導波路の複数の導波路のうちの一番短い導波路に沿って底辺を有する三角形状に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光合波回路。
4. 互いに異なる波長のＮ個の信号光を出力するレーザ光源を備えたＴＯＳＡに搭載される光合波回路であって、
   石英ガラスで形成された、Ｎ個の入力導波路および１つ以上の出力導波路と、前記入力導波路および前記出力導波路の間に設けられた２つのスラブ導波路と、前記２つのスラブ導波路の間に設けられた長さの異なる複数の導波路が並列したアレイ導波路と、を備え、
   前記スラブ導波路の一部に、前記石英ガラスの温度依存性よりも高い温度依存性を有する材料を含む調整部を設けて、光合波回路の中心波長の温度依存性を前記レーザ光源の発振波長の温度依存性と一致させたことを特徴とする光合波回路。
5. 前記スラブ導波路の一部に配置した調整部は、前記アレイ導波路の複数の導波路に対し、一番短い導波路に対応する前記スラブ導波路内の位置において最も長い光路長となり、一番長い導波路に対応する前記スラブ導波路内の位置において最も短い光路長となることを特徴とする、請求項４に記載の光合波回路。
6. 前記スラブ導波路の一部に配置した調整部は、前記アレイ導波路の複数の導波路のうちの一番短い導波路に対応する前記スラブ導波路内の位置において底辺を有する三角形状に形成されていることを特徴とする、請求項４または５に記載の光合波回路。
7. 前記スラブ導波路の一部に配置した調整部は、前記スラブ導波路内において前記アレイ導波路の近接した位置に形成されていることを特徴とする、請求項４から６のいずれか１項に記載の光合波回路。
8. 前記石英ガラスの温度依存性よりも高い温度依存性を有する材料は、シリコーン樹脂であることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の光合波回路。
9. 前記Ｎは２本以上であることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の光合波回路。
10. 互いに異なる波長のＮ個の信号光を出力するＮ個のレーザ光源と、
    前記レーザ光源から入力されたＮ個の信号光を合波して１つの多重化された信号光を出力する、請求項１から９のいずれかに記載の光合波回路と、
    前記光合波回路から出力された多重化された信号光を伝搬するシングルモード光ファイバと、を備えたことを特徴とするＴＯＳＡ。