JP3331180B2 - 温度無依存平面型光デバイス - Google Patents

温度無依存平面型光デバイス

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、温度無依存平面型
光デバイスに関する。例えば、Si基板等の平面基板上
に構成された光回路を有するデバイスにおいて、温度依
存性を低減するものである。
【0002】
【従来の技術】平面基板に作製された石英系光導波路を
用いて構成した光デバイスでは、干渉効果を利用したデ
バイスを精密に作製することが可能であり、これによ
り、高性能のフィルタを構成することができる。干渉計
を利用した平面型光デバイスのフィルタでは、通常光学
特性、特に動作波長が温度に依存するため、光回路の温
度を制御・安定化する必要がある。この温度制御には、
ヒータ或いはペルチェ素子が用いられてきた。
【0003】温度制御を用いた光デバイスでは、室内で
は電源が容易に得られるため、使用上問題がなく、実際
に実用システムに適用されている。しかしながら、近
年、光デバイスの適用範囲が拡大し、室外等の温度制御
装置を動作することが難しい環境でも使用することが試
みられてきている。
【0004】また、コストダウンをはかるために、温度
制御を必要としないデバイスも望まれている。温度依存
性を少なくし、温度制御なしで光デバイスを使用可能と
するために、以下の方法が試みられてきた。
【0005】石英系光導波路を用いた光デバイスの場
合、温度依存性は主に導波路の屈折率の温度依存性に起
因する。この温度依存性はプラスの温度依存性を有し、
温度が上昇すると、屈折率も大きくなる。
【0006】この温度依存性を補償するために、負の屈
折率の温度依存性を持つ高分子を用いることが試みられ
てきた。具体的には、石英系ガラス導波路中に適当な幅
の溝を形成し、高分子を挿入して、これにより、石英系
ガラスで構成された光デバイスにおける屈折率の温度変
化を補償することが可能であり、温度無依存の光デバイ
スを実現した。
【0007】なお、この高分子を挿入する方法による温
度依存性補償については、文献(Y.Inoue, et al.,"Ath
ermal silica-based waveguide grating multiplexer",
Electronics Lett.33,pp.1945-1946(1997))に詳しく示
されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】高分子挿入法による光
学特性の温度依存性の補償では、チップ作製プロセスが
複雑になり、歩留まりが劣化するという欠点があった。
また、従来の温度コントロールを用いたデバイスでは、
中心波長の精密なコントロールができていたが、高分子
を用いた方法では逆に温度依存性が少ないため、微妙な
コントロールができないという欠点があった。
【0009】本発明は、上記従来技術に鑑みてなされた
ものであり、平面基板上に形成された光デバイスにおい
て、温度無依性を低減することを目的とする。また、本
発明の他の目的は、チップ作製プロセスを変更すること
なく、従来と同じチップを用いることができ、チップコ
ストの上昇を回避することにある。更に、本発明の他の
目的は、応力付与機構により動作波長を制御して、精密
にその波長をコントロールすることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成する本
発明は、温度による屈折率変化を補償するために、チッ
プに応力を加え、温度変化と逆方向に応力による屈折率
変化を誘起する点を基本的な特徴とする。例えば、図1
に示すように、平面基板1上に形成された光導波路によ
り構成される光回路(チップ)に引張り或いは圧縮応力
(stress)を加える。
【0011】加える応力は、可動機構を設け、その変位
量を変えることによりコントロール可能である。即ち、
温度に依存して変位量を変化させ、光デバイスの温度依
存性をキャンセルするようにする。
【0012】ここで、必要とされる応力を見積もるため
に、応力と変位量の関係を明らかにする。引張り或いは
圧縮を平面基板チップに加える場合には、簡単には応力
σは次式で与えられる。 σ=Eε (1) ε:ひずみ E:ヤング率
【0013】また、一般的に物質に応力が加えられる
と、屈折率が変化する。一方向の応力の場合には、その
屈折率変化は、単純には以下の関係で表される。 Δn=ρσ (2) ρ:光弾性係数(Photoelastic coefficients )
【0014】上記の式より、応力により屈折率が変化す
ることがわかる。また、石英系ガラス導波路で構成され
た光デバイスについて必要な応力を以下の条件で簡単に
見積もることができる。 石英ガラスのヤング率:7.4×1010Pa 石英ガラスの光弾性係数:〜3.4×10-12Pa 石英ガラスの屈折率の温度変化係数(dn/dT):〜
1×10-5
【0015】石英系ガラスの光導波路で構成された光デ
バイスを0〜60℃で動作することを考えると、屈折率
変化Δnは0.6×10-4であり、応力としては、式
(2)より1.8×107Pa程度を加えれば補償可能
であることがわかる。式(1)よりひずみとして0.0
02(0.2%)であり、達成可能な値である。このよ
うに、温度に依存した屈折率変化を、応力を加えること
により補正することが可能である。これにより、温度依
存性の少ない光デバイスを構成することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を詳細に説明する。 〔実施例1〕本発明の第1の実施例を図2、図3に示
す。本実施例では、Si基板上に石英系ガラス光導波路
で構成された高密度波長多重(DWDM)用フィルタを
例として説明する。図2(a)は、本発明の第1の実施
例における高密度波長多重用フィルタの構成を示し、図
2(b)はそのスペクトルを示す。
【0017】高密度波長多重用フィルタは、石英系ガラ
ス導波路のアレー導波路型グレーティング(AWG)か
ら成る。このアレー導波路型グレーティング型フィルタ
では、複数の波長を有する信号光が入射すると、波長に
依存して出力ポートが分かれ、信号光が分波されること
になる。アレー導波路型グレーティング型フィルタの中
心波長λ0と導波路の屈折率ncは次式の関係がある。
【0018】λ0=ncΔL/m (3) ΔL:アレー導波路型グレーティング型フィルタにおけ
る光路長差 m:アレー導波路型グレーティング型フィルタにおける
次数 式(3)より、屈折率が変化すると、波長がシフトする
ことがわかる。アレー導波路型グレーティングでは温度
が変化した場合、石英ガラスの屈折率温度依存性dn/
dT〜1×10-5により、波長変化は約0.01nm/
℃となる。
【0019】本実施例ではアレー導波路型グレーティン
グチップに応力を加えるために、図3に示すように3点
でチップを保持した。図3(a)は3点支持によるチッ
プ保持の概略図を示し、図3(b)(c)はケースに入
れた場合の側面図である。
【0020】図3(a)に示すように、Si基板2上に
石英系光導波路を配置して構成されるアレー導波路型グ
レーティングチップはチップ保持用レール3a,3b上
に支持され、Si基板2の中間部分に上下動可能な可動
レール4で押しつけて、Si基板2には曲げ応力が加え
られ撓むようになっている。Si基板2のサイズは、4
0×20mm、アレー導波路型グレーティングのチャン
ネルスペースは200GHzとした。また、石英系導波
路のコアのサイズは6×6μm、Si基板の厚さは1m
mとした。
【0021】これら3点支持構造は、図3(b)(c)
に示すように、ケース11内に組み込まれる。図3
(b)(c)に示すように、Si基板2には、入力ファ
イバ部品5、出力ファイバ部品6、接続補強用ガラス板
7a,7bが設けられ、入出力ファイバが両端に接続さ
れている。一方、可動レール4は、図3(b)(c)に
示すように、Si基板2に対して温度に依存して変化す
る応力を加える応力付与機構が構成されている。
【0022】即ち、ケース11内に支持台9が垂直に立
設されると共にこの支持台9にアーム8の中間部が回動
自在に枢着され、このアーム8の一端側(図3(c)中
左端)に可動レール4が取り付けられる一方、アーム8
の他端側(図3(c)中右端)はアルミニウム(Al)
でできたシャフト10を介してケース11の底面部に固
定されている。
【0023】従って、シャフト10が温度に依存して伸
縮することにより、アーム8が支持台9を中心にして傾
動して可動レール4が上下動し、Si基板2を撓ませる
ような曲げ応力が加えられる。尚、シャフト10以外の
レール3a,3b,4や、アーム8,9は熱膨張係数の
非常に小さい(無視できる)インバーを材料として作製
した。
【0024】3点支持法におけるチップ保持において、
屈折率変化と可動レール4の変位量との関係を計算し
た。3点支持では、アレー導波路型グレーティングチッ
プはSi基板2上に作製された石英系導波路により構成
されているため、変位量δと応力σの関係は次式で与え
られる。
【0025】
【数1】 E:Si基板2のヤング率(0.3×1011Pa) νs:Si基板2のポアソン比(0.28) ts:Si基板2の厚さ t:導波路ガラス層の厚さ r:下側の2つのレール3a,3b間の幅の半分
【0026】本実施例では、レール3a,3b間の長さ
を35mm(=2r)とした。導波路ガラス層の厚さ
は、50μmであった。式(2)と(4)により、本実
施例における屈折率変化と変位量の関係を計算した。そ
の結果を図4に示す。約100μmの変位で1×10-3
の屈折率変化が得られることがわかる。
【0027】また、通常の使用環境として0から60℃
の温度変化を考えると、アレー導波路型グレーティング
の中心波長は約0.65nm変化することになる。この
温度に依存した波長変化は、式(3)より屈折率変化Δ
nとして0.7×10-4に対応する。従って、この温度
に依存した波長変化を補償するためには、式(2)より
応力を3×108Pa程度加える必要があり、また、図
4より変位量が約55μmとなることがわかる。
【0028】次に、シャフト10の必要な長さを見積も
る。シャフト10の長さをLとすると、変位量Δhは以
下の式で表される。 Δh=(a/b)ΔTβL (5) ΔT:温度変化量 β:Alの線膨張係数(〜23×10-6) a:アーム8のチップ側の長さ(図3(c)参照) b:アーム8のシャフト側の長さ(図3(c)参照)
【0029】ΔTを60℃、a=bとすると、55μm
のΔhを得るためには、Lは約40mmとなる。上記の
計算で得られた結果を基にAlのシャフト12の長さを
設定し、アレー導波路型グレーティングチップを図3の
ように構成した。温度上昇とともに波長は長波長側にシ
フトするので、その波長シフトを保証するために、チッ
プを下向きに保持した。また、0℃で応力がほぼ0にな
るように、シャフトの高さを調節した。
【0030】本実施例に係る光デバイスは温度0〜60
℃の環境で動作し、アレー導波路型グレーティングの中
心波長を測定した。比較例として、応力を付与しないチ
ップについて温度を変化させた場合についても、中心波
長を測定した。両者の結果を図5に示す。
【0031】図5で、黒丸が本実施例における光デバイ
スにおける動作波長の温度依存性を示し、白丸が比較例
として応力を付与しない光デバイスの測定結果である。
比較例の場合には、アレー導波路型グレーティングの中
心波長は約0.01nm/℃の温度依存性でシフトす
る。しかし、本実施例におけるアレー導波路型グレーテ
ィングでは、0〜60℃で波長変化が0.1nm以下と
小さかった。この結果より、本発明の有効性が確認され
た。
【0032】〔実施例2〕本発明の第2の実施例を図4
〜図6に示す。本実施例では、Si基板上に石英系ガラ
ス光導波路で構成されたマッハツェンダー干渉計(MZ
I)型フィルタを例として説明する。図6(a)は、本
発明の第2の実施例におけるマッハツェンダー干渉計型
フィルタの構成を示す。マッハツェンダー干渉計型フィ
ルタは、石英系ガラス導波路で構成された2つの方向性
結合器(Coupler )と長さの異なる2つ光導波路のから
成る。
【0033】図6(b)にマッハツェンダー干渉計型フ
ィルタの一般的なスペクトルを示す。スペクトルはFS
Rにあわせて周期的に変化する。このマッハツェンダー
干渉計型フィルタでは、2つの波長を別々の出力ポート
に分波することが可能である。MZI型フィルタでも、
スペクトルは温度に依存してシフトし、ピーク波長は、
アレー導波路型グレーティングと同じく、0.01nm
/℃でシフトする。
【0034】本実施例ではマッハツェンダー干渉計型チ
ップに応力を加えるために、図7に示す構成でチップを
保持し、引張りと圧縮応力を加えた。図7(a)はチッ
プ保持の側面図、図7(b)はチップ保持の平面図、図
7(c)は図7(a)中のA部の部分拡大図である。図
7に示すように、Si基板12上に石英系光導波路を配
置して構成されるマッハツェンダー干渉計型チップは、
一方の片端がチップ保持台17に固定され、他方の端が
移動可能なチップ保持台18に固定されている。マッハ
ツェンダー干渉計型チップは、フリースペクトルレンジ
(FSR)100GHzのものを用いた。
【0035】Si基板12は、サイズが50×10mm
であり、入力ファイバ部品13、出力ファイバ部品1
4、接続補強用ガラス板15a,15bが設けられ、入
出力ポートにファイバを接続した。図7(c)に示すよ
うに、Si基板12の裏面には2ヵ所に溝12aが加工
され、チップ保持台17,18には、それらの溝12a
嵌合する精密なノッチ22が加工されている。チップ保
持台17は、ケース21内において移動できないように
固定される一方、チップ保持台18は、ケース21内に
おいて移動し、Si基板12に対して温度に依存して応
力を加える応力付与機構を構成している。
【0036】即ち、ケース21の底面には左右2本のレ
ール19a,19bが配設されると共にこのレール19
a,19bにチップ保持台18が摺動自在に搭載され、
更に、チップ保持台17とチップ保持台18との間に
は、アルミニウム(Al)でできたシャフト20が介装
されている。シャフト20は、温度に依存してチップ保
持台18の変位量が可変となるように、熱膨張係数が選
択されている。
【0037】このように、Si基板12をチップ保持台
17,18に横方向に強固に固定し、温度に応じてシャ
フト20が伸縮することにより、Si基板12に引張り
又は圧縮応力を正確に加えることが可能となる。本実施
例の光デバイスの動作環境として0から60℃の温度変
化を考えると、実施例1と同様に、マッハツェンダー干
渉計の中心波長は約0.65nm変化することになる。
【0038】これに対応して、必要な応力による屈折率
変化は約1×10-3となり、式(1)と(2)よりひず
みとしては0.004(0.4%)が必要となる。本実
施例で用いたチップ長は50mmであるので、移動台1
7の変位量として約200μmが必要なことがわかる。
この条件に合うように、適切な熱膨張係数をもつ材質と
して銅(Cu)を選択し、シャフト中にしめるCu部分の
長さを設定した。
【0039】また、25℃で希望の動作波長を得るため
に、初期応力を調節した。この調節には、シャフトの長
さをコントロールし、移動台17の初期位置を適当に設
定することにより行った。実際に、図3の構成の光デバ
イスを温度0〜60℃で動作し、マッハツェンダー干渉
計フィルタの中心波長変化を測定した。今回も、比較例
として、応力を付与しないチップについて温度を変化さ
せた場合についても、中心波長を測定した。
【0040】応力を付与しない場合には、マッハツェン
ダー干渉計の中心波長は約0.01nm/℃の温度依存
性でシフトした。しかし、本実施例におけるマッハツェ
ンダー干渉計フィルタでは、0〜60℃で波長変化が
0.05nm以下と小さかった。この結果より、本発明
の有効性が確認された。
【0041】以上の実施例のように、アレー導波路型グ
レーティングとマッハツェンダー干渉計型フィルタに関
して説明したが、動作波長の温度依存性があるBrag
gグレーティングを組み込んだ導波路型デバイスについ
ても本発明は同様に適用可能である。また、本発明で
は、温度に依存して応力を加えるために、適切な熱膨張
係数を有する材料を選択する必要がある。本実施例では
Alを用いたが、それに限定するものではなく、ほかの
材料も利用可能である。
【0042】
【発明の効果】以上、説明したように本発明では、以下
の効果がある。 1)チップ自体に変更はないため、今までと同じ通常の
プロセスでチップ作製及びファイバ接続が可能である。
このため、光デバイスのコストで大きな割合を占めるプ
ロセスコスト、実装コストを増加させることなく、温度
無依存デバイスを提供することができる。 2)加える応力を制御することにより、精密な波長合せ
が可能である。 3)異なる材料で作製した光導波路のチップにも対応可
能である。これは、基板、導波路自身の材料に合わせ
て、応力付与機構の材料を選択可能であるからである。 4)同様に、デバイス形状にフレキシブルに対応が可能
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】平面基板チップに応力を加えた概略図である。
【図2】図2(a)は本発明の第1の実施例における高
密度波長多重用フィルタの構成図、図2(b)はそのス
ペクトルを示すグラフである。
【図3】本発明の第1の実施例におけるチップ保持構造
の概略図である。
【図4】屈折率変化とレールの変位量とに関する計算結
果を示すグラフである。
【図5】本発明の第1の実施例におけるデバイスの特性
の測定結果を示すグラフである(比較のために応力を付
与しない場合についての測定結果も含む。)。
【図6】図6(a)は本発明の第2の実施例で用いたマ
ッハツェンダー干渉計型フィルタの構成図、図6(b)
はマッハツェンダー干渉計型フィルタの一般的なスペク
トルを示すグラフである。
【図7】図7(a)は本発明の第2の実施例におけるチ
ップ保持構造の側面図、図7(a)はその平面図、図7
(c)は図7(a)中のA部の部分拡大図である。
【符号の説明】
1 平面基板 2 Si基板 3a,3b 保持用レール 4 応力を加えるためのレール 5 入力ファイバ部品 6 出力ファイバ部品 7a,7b 接続補強用ガラス板 8 応力を加えるためのアーム 9 支持台 10 Alでできた温度に依存して応力を加えるための
シャフト 11 外側のケース 12 Si基板 13 入力ファイバ部品 14 出力ファイバ部品 15a,16b 接続補強用ガラス板 17 固定のチップ保持台 18 可動するチップ保持台 19a,19b 可動部を支えるレール 20 応力を加えるためのAlのシャフト 21 外側のケース
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−174251(JP,A) 特開 平6−250131(JP,A) 特開 平6−289239(JP,A) 国際公開97/26572(WO,A1) 国際公開97/28440(WO,A1) D.L.Weidman et.a l.,22nd European Co nference on Optica l Communication(EC OC),1996年 9月15日,Vol. 1,pp.61−64 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 6/12 - 6/14

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平面基板上に形成された光導波路から構
    成される光回路と、該光回路に接続された入出力用光フ
    ァイバとからなる光デバイスにおいて、 前記平面基板の両端付近を、前記平面基板の一方の面側
    から支持する第1、第2の支持部と、 前記平面基板の中程を、前記平面基板の他方の面側から
    押圧する第3の支持部と、 温度に依存して伸縮するシャフトと、 アームを中間部で支えた支持台を備え、 前記アームの一端には前記第3の支持部が取り付けら
    れ、他端には前記シャフトが取り付けられ、 前記第3の支持部が前記平面基板に加える曲げ応力が、
    前記シャフトの伸縮によって変化する ことを特徴とする
    温度無依存平面型光デバイス。
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