JP2020187173A

JP2020187173A - 位相シフタおよびその制御方法

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Publication number: JP2020187173A
Application number: JP2019089885A
Authority: JP
Inventors: 一也菅原; Kazuya Sugawara; 宏泰馬渡; Hiroyasu Motai; 美野　真司; Shinji Mino; 真司美野
Original assignee: NTT Electronics Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-11-19

Abstract

【課題】熱光学型位相シフタの位相ドリフトを補償する。【解決手段】入力導波路に接続された方向性結合器と、出力導波路に接続された方向性結合器と、２つの方向性結合器の間に設けられた２本のアーム導波路とを有するマッハツェンダ干渉計、および前記２本のアーム導波路に設けられたヒータを含む位相シフタにおいて、一方のアーム導波路に沿って平行に当該アーム導波路の両側に形成された断熱溝を備え、前記一方のアーム導波路に設けられたヒータのみを発熱させて前記マッハツェンダ干渉計の位相シフト量を制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、位相シフタおよびその制御方法に関し、より詳細には、可変光減衰器等の光回路に適用される熱光学型の位相シフタおよびその制御方法に関する。

近年の光ネットワークにおいて、光強度をダイナミックに変化させる可変光減衰器の役割は重要になっている。特に、熱光学効果を用いた可変光減衰器（以下、ＶＯＡという）は、他の平面光導波型光回路との集積が可能であり、駆動部分を持たないために、信頼性に優れている。一方、ＣＭＯＳ製造技術を用いて光回路を実現するシリコンフォトニクスは、光回路の小型化および経済化に資する技術として注目されている。

図１に、従来の可変光減衰器の構成を示す。位相シフタと方向性結合器から構成される熱光学型可変減衰器（ＶＯＡ）１０１の例である（例えば、特許文献１参照）。ＶＯＡ１０１は、入力導波路１０５に接続された方向性結合器１０２と、出力導波路１０８に接続された方向性結合器１０３と、２つの方向性結合器の間に設けられた２本のアーム導波路１０６，１０７とを含むマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる。熱光学型位相シフタは、ＭＺＩのアーム導波路１０６，１０７の上部に薄膜ヒータ１０４を配置して構成される。薄膜ヒータ１０４の発熱によりアーム導波路１０６，１０７の屈折率を変化させ、導波路を透過する光の位相を変化させて、出力光のＯＮ／ＯＦＦ、光強度の調整、位相変調を行うことができる。

熱光学型ＶＯＡの動作原理を説明する。ヒータ１０４に無通電のときは、２本のアーム導波路１０６，１０７を伝搬する光の光路長差はゼロである。入力導波路端１０５ａに入力された信号光は、出力導波路端１０８ｂに伝搬する。次に、ヒータ１０４へ通電して、熱光学効果により光路長差を信号光波長の４分の１相当分変化させると、入力導波路端１０５ａに入力された信号光のうち５０％が出力導波路端１０８ｂへ伝搬し、残りの５０％が出力導波路端１０８ａへ伝搬する。さらに、ヒータ１０４へ通電して、光路長差を信号光波長の２分の１相当分変化させると、入力導波路端１０５ａに入力された信号光は、全て出力導波路端１０８ａへ伝搬する。したがって、信号光は出力導波路端１０８ｂに伝搬しない。この様に、ヒータ１０４へ通電する電力を制御して、光路長差をゼロから信号光波長の２分の１相当まで所望の値に設定することにより、出力導波路１０８ｂへ伝搬する光の強度を、所望の値に調整することができる。

図２に、従来の可変光減衰器の位相シフタの構成を示す。図２（ａ）は、図１に示した薄膜ヒータ１０４を含む熱光学型位相シフタの部分を拡大した図である。熱光学型位相シフタを用いたＰＬＣ光スイッチモジュール等の製品では、大規模化と低コスト化とともに低消費電力化が求められている。これを解決する方法として、位相シフタに断熱溝１０９を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図２（ｂ）は、Ｂ−Ｂ’の断面を示している。この例では、断熱溝１０９により形成されたリッジ光導波路の幅は７．７μｍ、電極幅は４．０μｍ、電極長は５００μｍである。断熱溝１０９の幅は、２０μｍである。断熱溝１０９の形成により、ヒータ１０４で発生した熱が外部に流出しにくくなり、リッジ光導波路内に閉じ込められるため、熱効率を高めることができる。また、断熱溝１０９は、応力解放の作用もあるため、アーム導波路１０６，１０７の初期状態が同じ状態になるように、アーム導波路１０６，１０７のそれぞれ両側に同じ大きさで設けている。

位相シフタは、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板２０１と、シリコン基板２０１の上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる下部クラッド層２０２と、下部クラッド層２０２の上に形成された単結晶シリコンからなるコア層２０３と、下部クラッド層２０２およびコア層２０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層２０４と、コア層２０３の上部にあたる上部クラッド層２０４の上に配置されたヒータ１０４とが順に積層されている。断熱溝１０９ａ，ｂは、アーム導波路の両側、すなわちコア層２０３で構成された光導波路と平行に配置される。断熱溝１０９は、例えば、上部クラッド層２０４を形成した後に、公知のフォトリソグラフィー技術により形成したマスクパターンを用いて、公知のエッチング技術により所定の深さまで、上部クラッド層２０４、下部クラッド層２０２を選択的に除去することにより形成することができる。

特開２００４−１７０６５７号公報特開２００９−２０４７３０号公報

図３に、従来の熱光学型位相シフタの位相ドリフトの変化を示す。熱光学型位相シフタのヒータに電力をかけて長年使用した場合に、高温高湿時に位相量がΔΦドリフト（位相ドリフト）することが見出された。ドリフト量は、時間的に飽和し、その飽和量は、ヒータに加える電力Ｐが大きいほど小さいことが併せて見出された。この原因は、断熱溝から浸透する水分がリッジ光導波路のＳｉＯ₂ガラスに浸透し、Ｓｉ導波路との間の応力が変化するためであると推測される。従って、ヒータに電力を印加しない場合でも、環境の温度と湿度により位相量はドリフトして、所定の時間が経過すると飽和する。位相シフタの構造、材料が同じ場合は、位相ドリフトは、主に環境温度と湿度及びヒータへの電力量とによって決定される。

なお、位相ドリフトが生じる原因から明らかなように、断熱溝のない熱光学型位相シフタの場合は、リッジ光導波路への水分の浸透がないため、位相ドリフトは見られない（図３では破線で示す）。

従来の可変光減衰器は、制御の容易性の観点から、位相シフタの初期位相状態を同じ状態とするために、２本のアーム導波路の構造を同じ構造としていた。可変光減衰器の位相シフト量は、２本のアーム導波路の位相シフト量の差であるため、通常、位相シフタは、一方のアーム導波路の位相シフタのみに電力を供給する。図３で明らかなように、ヒータを加熱しない場合は、リッジ光導波路に浸透する水分量が加熱する場合に比べ多くなるため、このような制御方法は、最も位相ドリフト量が大きい。このため、従来の可変光減衰器は、位相ドリフトが大きくなる構成であり、駆動時間にともない位相ドリフトを補償する必要があるという問題があった。

本発明の目的は、熱光学型位相シフタの位相ドリフトを補償することができる位相シフタおよびその制御方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、入力導波路に接続された方向性結合器と、出力導波路に接続された方向性結合器と、２つの方向性結合器の間に設けられた２本のアーム導波路とを有するマッハツェンダ干渉計、および前記２本のアーム導波路に設けられたヒータを含む位相シフタにおいて、一方のアーム導波路に沿って平行に当該アーム導波路の両側に形成された断熱溝を備え、前記一方のアーム導波路に設けられたヒータのみを発熱させて前記マッハツェンダ干渉計の位相シフト量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、アーム導波路に設ける断熱溝の構成と、アーム導波路に設けられたヒータの制御方法とを工夫することにより、熱光学型位相シフタの位相ドリフトを補償することができる。

従来の可変光減衰器の構成を示す図である。従来の可変光減衰器の位相シフタの構成を示す図である。従来の熱光学型位相シフタの位相ドリフトの変化を示す図である。本発明の実施形態１にかかる可変光減衰器の構成を示す図である。実施形態１にかかる可変光減衰器の位相シフタの構成を示す図である。本発明の実施形態２にかかる可変光減衰器の位相シフタの構成を示す図である。本発明の実施形態３にかかる可変光減衰器の位相シフタの構成を示す図である。本発明の実施形態４にかかる可変光減衰器の位相シフタの構成を示す図である。本発明の実施形態５にかかる可変光減衰器の制御方法を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図４に、本発明の実施形態１にかかる可変光減衰器の構成を示す。位相シフタと方向性結合器から構成される熱光学型可変減衰器（ＶＯＡ）３０１である。ＶＯＡ３０１は、入力導波路３０５に接続された方向性結合器３０２と、出力導波路３０８に接続された方向性結合器３０３と、２つの方向性結合器の間に設けられた２本のアーム導波路３０６，３０７とを含むマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる。熱光学型位相シフタは、ＭＺＩのアーム導波路３０６，３０７の上部に薄膜ヒータ３０４を配置して構成される。

実施形態１では、ＶＯＡ３０１の一方のアーム導波路３０７の両側に深溝の断熱溝３０９が形成されているが、他方のアーム導波路３０６には断熱溝が形成されていない。ＭＺＩの位相シフト量は２本のアーム導波路の位相シフト量の差になるので、位相制御のためにアーム導波路３０７のヒータ３０４ｂのみを発熱させて、２本のアーム導波路３０６，３０７の位相シフト量の差としている。

図５に、実施形態１にかかる可変光減衰器の位相シフタの構成を示す。図５は、図４のＶ−Ｖ’の断面を示している。位相シフタは、シリコン（Ｓｉ）基板４０１と、シリコン基板４０１の上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなる下部クラッド層４０２と、下部クラッド層４０２の上に形成された単結晶シリコンからなるコア層４０３と、下部クラッド層４０２およびコア層４０３の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層４０４と、コア層４０３の上部にあたる上部クラッド層４０４の上に配置されたヒータ３０４と、保護膜４０５とが順に積層されている。

断熱溝３０９ａ，ｂは、アーム導波路３０７の両側、すなわちコア層４０３で構成された光導波路に沿って平行に、光導波路の両側に配置され、ヒータ３０４ｂの長さと同じかそれより１割程度長く形成されている。断熱溝３０９の形成により、ヒータ３０４ｂで発生した熱が外部に流出しにくくなり、リッジ光導波路内に閉じ込められるため、熱効率を高めることができる。

アーム導波路３０６には断熱溝が形成されておらず、保護膜４０５で表面が覆われているため、表面からの水分の浸透が遮断されている。そのため、ヒータ３０４ａへの電力供給の有無に依らず、位相ドリフトは発生しない。

アーム導波路３０７における位相のドリフト量は、図３に示したように、ヒータ３０４ｂに加える電力が大きい程小さい。従って、アーム導波路３０６，３０７の位相のドリフト量の差は電力が大きい程小さくなる。実施形態１の位相シフタでは、ヒータに一定以上の電力をかけ続ける必要がある用途で特に効果が著しい。

なお、位相シフタを用いる干渉計であれば、光変調器のバイアス位相シフタ、ＶＯＡ、光スイッチなどにも適用可能である。

（実施形態２）
図６に、本発明の実施形態２にかかる可変光減衰器の位相シフタの構成を示す。実施形態２の可変光減衰器（ＶＯＡ）５０１は、従来のＶＯＡと同じく、２本のアーム導波路のそれぞれ両側に断熱溝が形成されている。一方のアーム導波路に形成された断熱溝３０９は、従来のＶＯＡ、実施形態１のＶＯＡと同じく、上部クラッド層４０４が除去され、下部クラッド層４０２に達する深さに形成されている。

他方のアーム導波路に形成された断熱溝５０２は、上部クラッド層４０４の一部が除去され、コア層４０３の上面と同じ高さまで、またはコア層４０３の上面より上方までの深さで形成されている。すなわち、断熱溝５０２の深さは、断熱溝３０９の深さより浅く形成されている。

実施形態１では、位相制御のために一方のアーム導波路のヒータ３０４ｂのみを発熱させて、２本のアーム導波路の位相シフト量の差としていた。実施形態２では、主としてヒータ３０４ｂにより位相制御を行うが、他方のアーム導波路のヒータ３０４ａの加熱も必要な場合に有効である。断熱溝５０２の表面積を小さくすることにより、断熱の効果を奏するとともに、位相ドリフトの原因となる水分の浸透を抑えることができる。

（実施形態３）
図７に、本発明の実施形態３にかかる可変光減衰器の位相シフタの構成を示す。実施形態３の可変光減衰器（ＶＯＡ）６０１は、従来のＶＯＡ、実施形態２のＶＯＡと同じく、２本のアーム導波路のそれぞれ両側に断熱溝が形成されている。図７（ａ）は、第１の例を示しており、断熱溝６０２により形成されたリッジ光導波路の両側壁部が保護膜４０５ｂで覆われている。保護膜４０５ｂで覆われた部分からの水分の浸透を防止できるので、位相ドリフトを抑制することができる。

図７（ｂ）は、第２の例を示しており、保護膜４０５は、断熱溝６０３の側壁部と底部の全てを覆うようにしてもよい。

（実施形態４）
図８に、本発明の実施形態４にかかる可変光減衰器の位相シフタの構成を示す。実施形態４のＶＯＡ７０１は、コア層４０３と平行に、その両側に水分遮蔽層７０２を設けている。例えば、水分遮蔽層７０２を、コア層４０３と同一の材料により設けることにより、製造工程数を変えることなく容易に形成することができる。

また、エッチング工程と埋め込み工程が増えてしまうが、水分遮蔽層７０２を、コア層４０３と異なる材料で形成してもよい。水分遮蔽層７０２を設けることにより、断熱溝３０９からの水分の浸透を防止できるので、位相ドリフトを抑制することができる。

（実施形態５）
実施形態５では、本実施形態にかかる可変光減衰器の位相シフタにおいて位相ドリフトを抑制する制御方法を示す。実施形態１に記載したように、ＭＺＩの位相シフト量は２本のアーム導波路の位相シフト量の差になるので、位相制御のために一方のアーム導波路のヒータのみを発熱させて、２本のアーム導波路の位相シフト量の差としている。例えば、位相シフト量をπ（信号光波長の２分の１相当分）だけ変えるのに１０ｍＷの電力を必要とする場合、アーム導波路のヒータへの電力供給量の差を１０ｍＷとすればよい。従って、一方のアーム導波路のヒータに０ｍＷ、他方のアーム導波路のヒータに１０ｍＷを加えればよい。

一方、実施形態２に記載したように、両方のアーム導波路のヒータに電力を供給し、必要な位相シフト量の差となる電力比で供給することも考えられる。例えば、一方のアーム導波路のヒータに１０ｍＷ、他方のアーム導波路のヒータに２０ｍＷを加える。省電力の観点からすると前者が有利である。しかし、図３に示したように、位相ドリフトは、ヒータに加える電力が大きいほど小さいので、位相ドリフトの低減のためには後者が有利である。

（実施形態６）
図９を参照して、本発明の実施形態５にかかる可変光減衰器の制御方法を説明する。ＶＯＡ８０１は、入力導波路８０５に接続された方向性結合器８０２と、出力導波路８０８に接続された方向性結合器８０３と、２つの方向性結合器の間に設けられた２本のアーム導波路８０６，８０７とを含むマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる。熱光学型位相シフタは、ＭＺＩのアーム導波路８０６，８０７の上部に薄膜ヒータ８０４を配置して構成される。

また、信号光を入力する入力導波路８０５ｂには、光分岐器８０９ａが挿入され、信号光の一部を受光素子（ＰＤ）８１０でモニタする。一方の出力導波路８０８ａにも、光分岐器８０９ｂが挿入され、出力光の一部をＰＤ８１１でモニタする。制御回路８１２は、ＰＤ８１０，８１１のモニタ結果に基づいて、ヒータ８０４を制御する。

具体的には、位相シフタを長期間使用すると位相ドリフトが生じて、ＭＺＩの干渉状態が変化するため出力光の強度が変化する。ＰＤ８１０で検出した入力光の強度とＰＤ８１１で検出した出力光の強度の比をＲ値とすると、制御回路８１２は、Ｒ値の変動を位相シフタのヒータ８０４への電力供給にフィードバックすることにより、位相ドリフトを補償することができる。

１０１，３０１，５０１，６０１，７０１可変光減衰器（ＶＯＡ）
１０２，１０３，３０２，３０３方向性結合器
１０４，３０４ヒータ
１０５，３０５入力導波路
１０６，１０７，３０６，３０７アーム導波路
１０８，３０８出力導波路
１０９，３０９，５０２，６０２，６０３断熱溝
２０１，４０１シリコン（Ｓｉ）基板
２０２，４０２下部クラッド層
２０３，４０３コア層
２０４，４０４上部クラッド層
４０５保護膜
７０２水分遮蔽層

Claims

シリコン基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成された単結晶シリコンからなるコア層と、前記下部クラッド層および前記コア層の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と、前記コア層の上部にあたる前記上部クラッド層の上に配置されたヒータとを含む位相シフタにおいて、
前記コア層で構成された光導波路に沿って平行に当該光導波路の両側に形成された断熱溝を備え、
前記断熱溝により形成されたリッジ光導波路の両側壁部が、保護膜で覆われていることを特徴とする位相シフタ。
前記断熱溝の側壁部と底部とが、前記保護膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の位相シフタ。
シリコン基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成された単結晶シリコンからなるコア層と、前記下部クラッド層および前記コア層の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と、前記コア層の上部にあたる前記上部クラッド層の上に配置されたヒータとを含む位相シフタにおいて、
前記コア層で構成された光導波路に沿って平行に当該コア層の両側に形成された水分遮蔽層を備えたことを特徴とする位相シフタ。
入力導波路に接続された方向性結合器と、出力導波路に接続された方向性結合器と、２つの方向性結合器の間に設けられた２本のアーム導波路とを有するマッハツェンダ干渉計、および前記２本のアーム導波路に設けられたヒータを含む位相シフタにおいて、
一方のアーム導波路に沿って平行に当該アーム導波路の両側に形成された断熱溝を備え、
前記一方のアーム導波路に設けられたヒータのみを発熱させて前記マッハツェンダ干渉計の位相シフト量を制御することを特徴とする位相シフタ。
入力導波路に接続された方向性結合器と、出力導波路に接続された方向性結合器と、２つの方向性結合器の間に設けられた２本のアーム導波路とを有するマッハツェンダ干渉計、および前記２本のアーム導波路に設けられたヒータを含む位相シフタにおいて、
前記アーム導波路に沿って平行に当該アーム導波路の両側に形成された断熱溝を備え、
一方のアーム導波路に沿って形成された断熱溝の深さは、他方のアーム導波路に沿って形成された断熱溝の深さより浅いことを特徴とする位相シフタ。
入力導波路に接続された方向性結合器と、出力導波路に接続された方向性結合器と、２つの方向性結合器の間に設けられた２本のアーム導波路とを有するマッハツェンダ干渉計、および前記２本のアーム導波路に設けられたヒータを含む位相シフタにおいて、
前記入力導波路に入力された入力光の強度と前記出力導波路から出力された出力光の強度の比に基づいて、前記ヒータへの電力供給を制御する制御回路を備えたことを特徴とする位相シフタ。
前記マッハツェンダ干渉計は、シリコン基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成された単結晶シリコンからなるコア層と、前記下部クラッド層および前記コア層の上に形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と、前記２本のアーム導波路のコア層の上部にあたる前記上部クラッド層の上に配置されたヒータとを含むことを特徴とする請求項４、５または６に記載の位相シフタ。
入力導波路に接続された方向性結合器と、出力導波路に接続された方向性結合器と、２つの方向性結合器の間に設けられた２本のアーム導波路とを有するマッハツェンダ干渉計、および前記２本のアーム導波路に設けられたヒータを含む位相シフタの制御方法において、
前記マッハツェンダ干渉計の位相シフト量を制御するために、前記２本のアーム導波路のそれぞれのヒータに電力供給し、必要な位相シフト量の差となる電力比で供給することを特徴とする位相シフタの制御方法。