JP3209042B2 - マッハツェンダ光回路 - Google Patents

マッハツェンダ光回路

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JP3209042B2
JP3209042B2 JP14064895A JP14064895A JP3209042B2 JP 3209042 B2 JP3209042 B2 JP 3209042B2 JP 14064895 A JP14064895 A JP 14064895A JP 14064895 A JP14064895 A JP 14064895A JP 3209042 B2 JP3209042 B2 JP 3209042B2
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尚登 上塚
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、導波路型光部品に関
し、特にマッハツェンダ光回路に関する。
【0002】
【従来の技術】波長多重伝送(Wavelength Division Mu
lti/demultiplexing:WDM)は、光通信容量を大幅に増加
することができ、柔軟性のあるシステムを構築できるた
め、今後の通信システムとして有望視されている。さら
に容量を上げるため、チャネル間隔の狭い波長を多重す
る狭帯域WDM (Dense WDM or FDM(Frequency Divisio
nMulti/demultiplexing)) が注目されている。このシス
テムは異なる2波長(周波数)の光を合分波する光合分
波器が不可欠であり、石英系ガラス導波路を用いたマッ
ハツェンダ光回路が有望視されている。
【0003】図5は従来のマッハツェンダ光回路の平面
図を示す図であり、図6はそのA−A線断面図である。
【0004】図5及び図6に示すように、基板21上に
はバッファ層22が形成され、バッファ層22の上には
コア23a,23b及びクラッド24からなる2本の入
力導波路11a,11bが形成されている。両入力導波
路11a,11bは入力側方向性結合器(3dB方向性
結合器)13aの入力端にそれぞれ接続されており、入
力側方向性結合器13aの出力端にはΔLだけ長さが異
なった2本の導波路(以下「アーム」という。)15,
16が接続されている。
【0005】一方(図の上方)のアーム15の上にはヒ
ータ17が設けられている。これらアーム15,16及
びヒータ17で位相シフト部14aが形成されている。
両アーム15,16は出力側方向性結合器(3dB方向
性結合器)13bの入力端に接続され、出力側方向性結
合器13bの出力端は2本の出力導波路12a,12b
にそれぞれ接続されている。
【0006】このようなマッハツェンダ光回路におい
て、入力ポートの一つであるポート1に波長λ1 、λ2
の光が入力した場合を考える。
【0007】光は入力側方向性結合器13aにより、
1:1に分岐されそれぞれアーム15、アーム16を伝
搬する。アーム15はアーム16と比較してΔLだけ長
いため位相ずれが生じる。両アーム15,16を伝搬し
た光が再び出力側方向性結合器13bに結合されると光
干渉により、波長λ1 の光はポート3より、波長λ2
光はポート4より出力する。このときの分波条件は数1
式によって与えられる。
【0008】
【数1】Δλ=λ1 −λ2 =λ1 ・λ2 /(2・neff
・ΔL) (但し、neff :アームの等価屈折率、ΔL:両アーム
の導波路長差) 通常、狭帯域WDMにおいては、Δλは0.01nm〜
1nmである。
【0009】neff は約1.47(石英ガラス製のアー
ムの場合) 波長λ1 、λ2 は約1.55μmとすると、数1式より
ΔLは0.8mm〜82mmとなる。このようにΔLが
比較的大きな値となるため、アームを構成する石英ガラ
スの温度による屈折率変化(dN/dTが約1×1
-6:Nは屈折率、Tは温度)及び線膨張係数(約0.
35×10-6/℃)の影響を受けやすく、分波される光
の波長λ1 、λ2 が温度によって変化する。
【0010】一例として、マッハツェンダ光回路の温度
に対する波長損失特性の変化を図7に示す。同図におい
て、横軸は波長を示し、縦軸は損失を示している。分波
間隔Δλは0.1nmである。例えば周囲温度が10℃
上昇すると、波長損失特性は、長波長側に0.02nm
シフトする。
【0011】このため、図5に示したような従来のマッ
ハツェンダ光回路においては、Cr等からなる金属膜を
一方のアーム上に形成したヒータに電流を流し、このと
きに生じる熱により合分波波長を制御する必要があっ
た。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のマッハツェンダ光回路は、合分波波長を制御す
るのにヒータを加熱するため電力供給が必要であり経済
的ではない。特に、マッハツェンダ光回路を多数集積化
した場合、その消費電力は数十ワットにもなり、実用的
なシステムでは使用が困難となってしまう。
【0013】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、温度に対して安定に波長合分波でき、しかもヒータ
加熱が不要なマッハツェンダ光回路を提供することにあ
る。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、基板上に形成され、断面矩形状のコアとこ
のコアの周囲をコアよりも屈折率の小さいクラッドで埋
め込んだ構造の単一モードチャネル導波路より構成さ
、長さの異なった2本のチャネル導波路からなる位相
シフト部の両端に、2本の平行なチャネル導波路からな
る2つの方向性結合器が接続されてなる導波路型のマッ
ハツェンダ光回路において、少なくとも位相シフト部の
クラッドが一部除去されその除去された領域に屈折率の
温度係数が負の材料からなる負屈折率材設けられてい
ものである。
【0015】上記構成に加え本発明は、コアと負屈折率
材との間のクラッドの厚さが0μmから20μmの間の
大きさとしたものである。
【0016】上記構成に加え本発明は、負屈折率材とし
てTiO2 等の酸化物を用いてもよい。
【0017】上記構成に加え本発明は、負屈折率材とし
てフォトポリマを用いてもよい。
【0018】上記構成に加え本発明は、負屈折率材とし
て多成分ガラスを用いてもよい。
【0019】
【作用】上記構成によれば、位相シフト部の導波路の屈
折率の温度係数は正であり、クラッドが一部除去されそ
の除去された領域に設けられた負屈折率材の温度係数が
負であるため、温度が上昇しても降下しても温度係数が
互いにキャンセルされて全体としては温度係数が非常に
小さくなり光回路の動作が温度変化に対して安定にな
る。このためヒータで導波路を加熱する必要がなくな
る。
【0020】
【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。
【0021】図1は本発明のマッハツェンダ光回路の一
実施例の平面図であり、図2はそのB−B線断面図であ
る。尚、従来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【0022】図1及び図2に示すように、石英(あるい
はSi)からなる基板21上にはバッファ層22が形成
され、バッファ層22の上にはコア23a,23b及び
クラッド24からなる2本の入力導波路11a,11b
が形成されている。両入力導波路11a,11bは入力
側方向性結合器13aの入力端にそれぞれ接続されてお
り、入力側方向性結合器13aの出力端にはΔLだけ長
さが異なった2本のアーム15,16が接続されてい
る。
【0023】一方のアーム15の上にはフォトポリマか
らなる負屈折率材25が設けられている。この負屈折率
材25はクラッド24の一部をエッチングして得られた
溝に挿入されている。エッチング方法としては反応性エ
ッチングを用いた。これらアーム15,16及び負屈折
率材25で位相シフト部14bが形成されている。
【0024】負屈折率材25の屈折率の温度係数(dN
/dT:Nは屈折率、Tは温度)は−1×10-4と石英
ガラス製の導波路23a(11a)の温度係数(dN/
dT)1×10-6と比べて二桁大きい値となっている。
【0025】両アーム15,16は出力側方向性結合器
13bの入力端に接続され、出力側方向性結合器13b
の出力端は2本の出力導波路12a,12bにそれぞれ
接続されている。
【0026】次に実施例の作用を述べる。
【0027】マッハツェンダ光回路の温度に対する波長
損失特性の変化は、アーム15,16を構成する石英ガ
ラスの温度による屈折率変化(dN/dTが約1×10
-6:Nは屈折率、Tは温度)及び線膨張係数(約0.3
5×10-6/℃)により、位相シフト部14bにおける
2つのアーム15,16間の位相差Φが変化することに
起因する。この変化は数2式によって与えられる。
【0028】
【数2】ΔΦ/ΔT=2π・ΔL/λ・(neff/ΔL
・(dΔL/dT)+(dneffdT)) ここで、neff :アームの等価屈折率 ΔL :両アームの導波路長差 λ :波長 T :温度 数2式の括弧内の第1項は石英ガラスの線膨張係数(約
0.35×10-6/℃)による変化を表わし、第2項は
石英ガラスの温度による屈折率変化(熱光学効果)を表
わす。従来例では第1項の符号と第2項の符号とが同符
号であるため、温度に対して変化することになる。従来
の場合の波長損失特性のシフト量を数2式を用いて求め
ると、分波間隔Δλが0.1nm(ΔLが約8300μ
m)、温度が10℃変化した場合は、0.02nmとな
り、図7に示した実験結果と一致する。
【0029】本実施例の場合は、屈折率の温度係数(d
N/dT)が負である材料からなる負屈折率材25をア
ーム15上に設けることにより、数2式の第1項と第2
項とをキャンセルすることができるため、温度に対して
安定な動作が可能となる。
【0030】すなわち、位相シフト部14bの導波路の
屈折率の温度係数は正であり、アーム15上に設けられ
た負屈折率材25の温度係数が負であるため、温度が上
昇しても降下しても温度係数が互いにキャンセルされて
全体としては温度係数が非常に小さくなりマッハツェン
ダ光回路の動作が温度変化に対して安定になる。このた
め従来のようにヒータ17でアーム15を加熱して屈折
率を制御する必要がなくなる。
【0031】ここで、一例としてフォトポリマからなる
負屈折率材をアーム15上に設けたときの温度に対する
波長損失特性を図3に示す。同図において横軸は波長を
示し、縦軸は損失を示している。この場合、コア23a
の上端から負屈折率材25の下端までのクラッド厚tを
10μmとした。従来のものと異なり、温度が10℃変
化しても波長損失特性はほとんどシフトせず安定な動作
を確認することができた。
【0032】次に最適条件について説明する。
【0033】図4に温度が10℃変化したときのクラッ
ド厚と波長損失のシフト量との関係を示す。同図におい
て横軸がクラッド厚を示し、縦軸がシフト量を示してい
る。
【0034】同図よりクラッド厚が20μm以上では負
屈折率材25の長さLを増しても、ほとんど効果がない
ことがわかる。また負屈折率材25を設ける部分の長さ
とクラッド24の厚さを適正化することにより、温度に
対するシフト量を略「0」にすることができることを確
認した。
【0035】尚、本実施例では負屈折率材25としてフ
ォトポリマを用いたが、これに限定されるものではな
く、TiO2 等の酸化物や多成分ガラス等温度係数が負
であれば他の材料を用いてもよい。また、負屈折率材を
クラッドが一部除去されその除去された領域に設ける代
わりに導波路を形成する基板21自体が負屈折率材で構
成されていてもよい。
【0036】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
【0037】少なくとも位相シフト部のクラッドが一部
除去されその除去された領域に屈折率の温度係数が負の
材料からなる負屈折率材を設けたので、温度に対して安
定に波長合分波でき、しかもヒータ加熱が不要なマッハ
ツェンダ光回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のマッハツェンダ光回路の一実施例の平
面図である。
【図2】図1のB−B線断面図である。
【図3】フォトポリマからなる負屈折率材をアーム上に
設けたときの温度に対する波長損失特性を示す図であ
る。
【図4】温度が10℃変化したときのクラッド厚と波長
損失のシフト量との関係を示す図である。
【図5】従来のマッハツェンダ光回路の平面図を示す図
である。
【図6】図5のA−A線断面図である。
【図7】マッハツェンダ光回路の温度に対する波長損失
特性の変化を示す図である。
【符号の説明】
21 基板 13a 方向性結合器(入力側方向性結合器) 13b 方向性結合器(出力側方向性結合器) 14b 位相シフト部 15,16 導波路(アーム) 23a,23b コア(導波路) 24 クラッド 25 負屈折率材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−74909(JP,A) 実開 昭60−104821(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 6/12 - 6/14 G02F 1/00 - 1/125 G02F 1/29 - 7/00 JICSTファイル(JOIS)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に形成され、断面矩形状のコアと
    このコアの周囲をコアよりも屈折率の小さいクラッドで
    埋め込んだ構造の単一モードチャネル導波路より構成さ
    、長さの異なった2本のチャネル導波路からなる位相
    シフト部の両端に、2本の平行なチャネル導波路からな
    る2つの方向性結合器が接続されてなる導波路型のマッ
    ハツェンダ光回路において、少なくとも上記位相シフト
    部のクラッドが一部除去されその除去された領域に屈折
    率の温度係数が負の材料からなる負屈折率材設けられ
    ていることを特徴とするマッハツェンダ光回路。
  2. 【請求項2】 上記コアと上記負屈折率材との間のクラ
    ッドの厚さが0μmから20μmの間の大きさである請
    求項1記載のマッハツェンダ光回路。
  3. 【請求項3】 上記負屈折率材として導波路のコアより
    屈折率の小さい材料を用いた請求項1又は2記載のマッ
    ハツェンダ光回路。
  4. 【請求項4】 上記負屈折率材としてTiO2 等の酸化
    物を用いた請求項1から3のいずれか一項記載のマッハ
    ツェンダ光回路。
  5. 【請求項5】 上記負屈折率材としてフォトポリマを用
    いた請求項1から3のいずれか一項記載のマッハツェン
    ダ光回路。
  6. 【請求項6】 上記負屈折率材として多成分ガラスを用
    いた請求項1から3のいずれか一項記載のマッハツェン
    ダ光回路。
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