JP3583681B2 - 光位相シフタ並びにこれを用いた光フィルタ及び光スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光信号処理において用いられる光位相シフタ並びにこれを用いた光フィルタ及び光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長多重（ＷＤＭ）通信システムは、光伝送路の伝送可能な波長帯域内に波長の異なる複数の光信号を多重させることで、伝送容量の増大を図った光通信システムである。このシステムにおいては、光路切替のスイッチング機能とともに、波長多重信号から特定の波長の光信号を分離したり合波したりする機能が基本的に重要である。
【０００３】
ＷＤＭ通信システムの中で波長多重信号から任意の１つの波長の光信号を取り出す用途には、波長可変光フィルタが用いられる。波長可変光フィルタとしては、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）の透過中心波長を、光導波路の熱光学（ＴＯ）効果を利用して可変とするＡＷＧ型熱光学波長可変光フィルタが、低損失でクロストークが小さい特長を持つため注目されている。
【０００４】
発明者らは、ポリマ光導波路によるＡＷＧのチップの温度を変化させることで９ｎｍの透過波長可変範囲を得ている（Ｓ．Ｔｏｙｏｄａ ｅｔ ａｌ．”Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｗ−ｃｒｏｓｓｔａｌｋｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ＡＷＧ−ｂａｓｅｄ ｔｕｎａｂｌｅ ｆｉｌｔｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｏｕｎｄ １．５５μｍ”，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１１（９），ｐｐ．１１４１−１１４３，１９９９参照）。
【０００５】
さらに、可変波長範囲を広げ、応答速度を早くするために、ＡＷＧのチャネル導波路アレイに光位相シフタを設けることが提案されている（特開平５−３２３２４６号公報参照）。
【０００６】
図１は前述した光位相シフタ付きＡＷＧ型波長可変光フィルタを示すもので、図中、１は入力ポート導波路、２は出力ポート導波路、３は光路長が互いに異なる複数のチャネル導波路からなるチャネル導波路アレイ、４は入力ポート導波路１とチャネル導波路アレイ３とを結ぶ第１の扇形スラブ導波路、５は出力ポート導波路２とチャネル導波路アレイ３とを結ぶ第２の扇形スラブ導波路、６は光位相シフタの形成部である。
【０００７】
光位相シフタは、図２に示すように、チャネル導波路アレイ３と、該チャネル導波路アレイ３上に形成されたジグザグ形状のストリップ状薄膜ヒータ７とからなっている。
【０００８】
ここで、ヒータ加熱による温度上昇をΔＴ、チャネル導波路アレイの等価屈折率をｎａ、チャネル導波路アレイ中の隣接する２つのチャネル導波路上のヒータ長の差をΔＬｈ、回折次数をｍとすると、透過中心波長の変化Δλ０は、
Δλ０＝（ΔＬｈ／ｍ）（ｄｎａ／ｄＴ）ΔＴ ……（１）
となる。
【０００９】
設計上ΔＬｈを大きくすることでより小さい温度変化、即ち少ないヒータ電力で同じ可変波長範囲が得られる。さらに、図３に示すように、逆符号の位相差を生じさせる薄膜ヒータ８，９を組み合わせて、両ヒータを切り替えることによる波長可変帯域の拡大が提案されている。
【００１０】
図３の構造において、チャネル導波路アレイ中の各チャネル導波路と重なるヒータの長さを等差数列になるよう設計しても、ヒータが鋭角的に曲がる鋭角部分Ａと鈍角的に曲がる鈍角部分Ｂとが位相差付与において等価な構造をなさないため、目的の光路長差は得られない。たとえ、熱拡散の計算等から偏差を補正しても、光導波路の厚みが変更となれば補正量が変わるので、ヒータも設計し直す必要が生じる問題がある。
【００１１】
一方、ＷＤＭ通信システムのクロスコネクトやアドドロップマルチプレクサには、光路切替用の光スイッチが必要となる。この用途には、可動部分が無く、挿入損失が低く、小型で集積化が容易な光導波路型熱光学光スイッチが有望視されている。小型の１×Ｎ熱光学光スイッチとしてアレイ導波路型光スイッチが提案されている。
【００１２】
図４は光位相シフタ付きアレイ導波路型光スイッチを示すもので、図中、１１は共通ポート導波路、１２は分岐ポート導波路、１３は光路長が互いに等しい複数のチャネル導波路からなるチャネル導波路アレイ、１４は共通ポート導波路１１とチャネル導波路アレイ１３とを結ぶ第１の扇形スラブ導波路、１５は分岐ポート導波路１２とチャネル導波路アレイ１３とを結ぶ第２の扇形スラブ導波路、１６は光位相シフタの形成部である。
【００１３】
前記構成において、共通ポート導波路１１に入力された信号光は、第１のスラブ扇形導波路１４を経てチャネル導波路アレイ１３の各導波路に分配される。チャネル導波路アレイ１３の各導波路が光路長差を持たないために、信号光は第２の扇形スラブ導波路１５を経て複数の分岐ポート導波路１２の中央の導波路へ集光する。この際、光位相シフタを動作させると集光位置が移動し、信号光が出力する分岐ポート導波路を選択することができる。
【００１４】
ここでも、図３に示した構造の光位相シフタが用いられるが、光スイッチの場合も、鋭角部分Ａと鈍角部分Ｂとが等価でないために生じる特性の悪化の問題は、前述した波長可変光フィルタの場合と同様である。
【００１５】
鋭角部分Ａと鈍角部分Ｂとが等価でないために生じる特性の悪化の問題を解決するため、図５に示すように、チャネル導波路アレイ１３の各チャネル導波路上を往復するレイアウト構造の薄膜ヒータ１７を用いた方式が提案されている。
【００１６】
一般に、チャネル導波路アレイは、２０μｍ程度の間隔を隔てて配置された１００本程度の光導波路で構成される。ここで、ΔＬｈを１００μｍとすると、ヒータ総延長は５００ｍｍにもなる。幅１５μｍ、厚さ１μｍの金薄膜ヒータを用いると、ヒータ抵抗は約８００Ωに達する。１Ｗ程度の加熱電力でも約３０Ｖの駆動電圧となり、駆動電圧が高いために使い難いという問題があった。図５に示すようなレイアウトのヒータの幅は、光導波路同士の間隔の半分以上には広げることはできないため、印加電圧を低下させるには限界があった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
クロストークの低いＡＷＧ型波長可変光フィルタやアレイ導波路型光スイッチを実現するために、チャネル導波路アレイの各チャネル導波路に正確に等差数列的な光路長差を与えられるヒータ構造、低電圧で駆動するヒータ抵抗を有するヒータ構造の開発が必要である。
【００１８】
本発明の目的は、複数のチャネル導波路に正確に等差数列的な光路長差を与えることができ、かつ低電圧駆動が可能な光位相シフタ並びにこれを用いた光フィルタ及び光スイッチを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の請求項１では、複数のチャネル導波路と、該複数のチャネル導波路上に設けられたヒータとからなる光位相シフタにおいて、ヒータは、複数のチャネル導波路に沿ってそれぞれ設けられ、その長さが隣接するチャネル導波路に対応するもの同士の間で隣接する一方向に向かって減少または増加し、各チャネル導波路上に略三角形状に配置される複数の加熱ヒータ部と、隣接する加熱ヒータ部の一端同士を１つ置きに接続し、該一端同士で接続されない隣接する加熱ヒータ部の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部とからなる第１のヒータと、複数の加熱ヒータ部における長さの減少または増加する方向が逆である点を除いて第１のヒータと同様な構成を有し、第１のヒータに近接して設けられた第２のヒータとよりなり、第１及び第２のヒータのそれぞれにおいて、各チャネル導波路に対応する加熱ヒータ部と接続ヒータ部との接続部における鋭角部分と鈍角部分の数が同数である光位相シフタを提案する。
【００２０】
また、本発明の請求項２では、第１または第２のヒータのいずれか一方をその中央部においてチャネル導波路と直交する方向に２分し、この際、切断された加熱ヒータ部のうち一端同士あるいは他端同士で接続されていない隣接する加熱ヒータ部同士を接続するとともに、該接続部位が外側に位置するように前記２分されたヒータを２分されないヒータの両側に配置した請求項１記載の光位相シフタを提案する。
【００２１】
図６に前述した本発明の請求項２に対応する光位相シフタの構造を示す。図中、２０は第１のヒータ、３０は第２のヒータ、Ｅ１，Ｅ２はヒータ加熱用電源である。
【００２２】
第１のヒータ２０は、チャネル導波路アレイ３を構成する複数のチャネル導波路に沿ってそれぞれ設けられ、その長さが隣接するチャネル導波路に対応するもの同士の間で隣接する一方向に向かって減少または増加（ここでは図面下方に向かって減少）し、各チャネル導波路上に略三角形状に配置される複数の加熱ヒータ部２１と、隣接する加熱ヒータ部２１の一端同士を１つ置きに接続し、該一端同士で接続されない隣接する加熱ヒータ部２１の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部２２とからなっている。
【００２３】
また、第２のヒータ３０は、長さの減少または増加する方向が逆（ここでは図面下方に向かって増加）である点を除いて前記複数の加熱ヒータ部２１と同様な複数の加熱ヒータ部３１と、前記複数の接続ヒータ部２２と同様な複数の接続ヒータ部３２とからなっているが、ここではその中央部においてチャネル導波路アレイ３を構成するチャネル導波路と直交する方向に２分し、この際、切断された加熱ヒータ部３１のうち一端同士あるいは他端同士で接続されていない隣接する加熱ヒータ部３１同士を接続するとともに、該接続部位が外側に位置するように第１のヒータ２０の両側に配置している。
【００２４】
前記構成によれば、第１のヒータ２０及び第２のヒータ３０とも、チャネル導波路アレイ３を構成する各チャネル導波路においてヒータ折り返し領域の鋭角部分Ａと鈍角部分Ｂとが同数となり、各チャネル導波路は等価に加熱されることになり、位相誤差は生じない。また、各ヒータの幅は最大、隣接するチャネル導波路間の幅程度まで大きくすることができる。
【００２５】
なお、図６では第２のヒータ３０を２つに分けて配置したが、１つのものとして、ちょうど第１のヒータ２０の上下を逆転させたような形状のものとして配置しても良い（請求項１）。但し、この場合は、チャネル導波路に沿う方向に対する第１及び第２のヒータを合わせた全体の長さがより長くなる。
【００２６】
また、前記課題を解決するため、本発明の請求項３では、複数のチャネル導波路と、該複数のチャネル導波路上に設けられたヒータとからなる光位相シフタにおいて、ヒータは、複数のチャネル導波路と直交する方向にそれぞれ設けられ、その長さが隣接するもの同士の間で隣接する一方向に向かって１つ置きに減少または増加し、その一端が任意のチャネル導波路に対して同一の距離に配置される複数の加熱ヒータ部と、隣接する長さが異なる加熱ヒータ部の一端同士を接続し、隣接する長さが同一の加熱ヒータ部の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部とからなる第１のヒータと、複数の加熱ヒータ部における長さの減少または増加する方向が逆である点を除いて第１のヒータと同様な構成を有し、第１のヒータに近接して設けられた第２のヒータとよりなり、第１及び第２のヒータのそれぞれにおいて、接続ヒータ部は加熱ヒータ部の一端同士及び他端同士をそれぞれ直線的に接続する光位相シフタを提案する。
【００２７】
図７に前述した本発明の請求項３に対応する光位相シフタの構造を示す。図中、４０は第１のヒータ、５０は第２のヒータ、Ｅ１，Ｅ２はヒータ加熱用電源である。
【００２８】
第１のヒータ４０は、チャネル導波路アレイ３を構成する複数のチャネル導波路と直交する方向にそれぞれ設けられ、その長さが隣接するもの同士の間で隣接する一方向に向かって１つ置きに減少または増加（ここでは図面右方に向かって増加）し、その一端が任意のチャネル導波路に対して同一の距離に配置される複数の加熱ヒータ部４１と、隣接する長さが異なる加熱ヒータ部４１の一端同士を接続し、隣接する長さが同一の加熱ヒータ部４１の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部４２とからなっている。
【００２９】
また、第２のヒータ５０は、長さの減少または増加する方向が逆（ここでは図面右方に向かって減少）である点を除いて前記複数の加熱ヒータ部４１と同様な複数の加熱ヒータ部５１と、前記複数の接続ヒータ部４２と同様な複数の接続ヒータ部５２とからなっている。
【００３０】
前記構成によれば、第１のヒータ４０及び第２のヒータ５０とも、チャネル導波路アレイ３を構成する各チャネル導波路に対するヒータ折り返し領域の熱的に非等価な部分がないため、各チャネル導波路は等価に加熱されることになり、位相誤差は生じない。ここで、各チャネル導波路において、ヒータ直下の部分とヒータが直上にない領域が存在するが、接続ヒータ部４２，５２の長さを適当に調節すれば、熱拡散により、ヒータ直下の部分とヒータが直上にない領域とを均一な温度に保つことができる。また、各ヒータの幅は最大、隣接するチャネル導波路間の２倍幅程度まで大きくすることができる。
【００３１】
また、前記課題を解決するため、本発明の請求項４では、チャネル導波路アレイ上に請求項１乃至３いずれか記載の光位相シフタを構成するヒータを設けたアレイ導波路格子型波長可変光フィルタを提案する。
【００３２】
また、前記課題を解決するため、本発明の請求項５では、チャネル導波路アレイ上に請求項１乃至３いずれか記載の光位相シフタを構成するヒータを設けたアレイ導波路型光スイッチを提案する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
【００３４】
【実施の形態１】
図８は本発明の光位相シフタ付きＡＷＧ型波長可変光フィルタの実施の形態の一例、ここでは図６に示した光位相シフタを応用した例を示すもので、図中、従来例と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、１は入力ポート導波路、２は出力ポート導波路、３はチャネル導波路アレイ、４は第１の扇形スラブ導波路、５は第２の扇形スラブ導波路、６１，６２は光位相シフタの形成部である。
【００３５】
光位相シフタの形成部６１には図６に示したヒータ２０が設けられ、光位相シフタの形成部６２には図６に示したヒータ３０が設けられている。
【００３６】
ここで、チャネル導波路アレイ３中の導波路の本数は１２０本、チャネル導波路アレイ３中の各導波路の間隔は２５μｍ、チャネル導波路アレイ３中の隣接する導波路の長さの差は６２．４μｍ、回折次数は６０、チャネル導波路アレイ３中の隣接する導波路におけるヒータの長さの差ΔＬｈは１００μｍとした。
【００３７】
屈折率１．４９４の重水素化シリコーン樹脂をコアに、屈折率１．４８５の重水素化シリコーン樹脂をクラッドに用いて、上記設計の光導波路を作製した。シリコーン樹脂光導波路の作成方法は「熱光学デバイス」（特開平１０−３１９４４５号公報）記載の方法に準じた。コア断面サイズは７μｍ×７μｍ、下層クラッド厚、コア上の上部クラッド厚は、それぞれ２０μｍ、１２μｍとした。導波路上に金薄膜をスパッタ法で形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて上記設計の幅１８μｍ、厚さ２μｍストリップ状の薄膜ヒータを作製した。ヒータ抵抗は第１及び第２のヒータとも２４０Ωであった。
【００３８】
波長１．５５μｍ帯のＡＳＥ広帯域光源及び光スペクトルアナライザをそれぞれ入出力ポートに接続してフィルタ特性を測定した。ヒータに電力を与えない場合の波長フィルタ特性は、透過中心波長１５５０ｎｍ、挿入損失５．５ｄＢ、クロストーク−３２ｄＢ（１５５０±０．８ｎｍ）であった。
【００３９】
第１のヒータに加熱電力を与えた時、透過中心波長は与えた電力に対して−８ｎｍ／Ｗの割合で変化した。一方、第２のヒータに加熱電力を与えた時は、８ｎｍ／Ｗの割合であった。加熱電力を０〜１．８Ｗに設定することで、透過中心波長を１５３６〜１５６４ｎｍの範囲で制御できることを確認した。また、透過中心波長変化に伴う挿入損失及びクロストークの顕著な増加は認められなかった。
【００４０】
【実施の形態２】
図９は本発明の光位相シフタ付きＡＷＧ型波長可変光フィルタの実施の形態の他の例、ここでは図７に示した光位相シフタを応用した例を示すもので、図中、６３，６４は光位相シフタの形成部であり、光位相シフタの形成部６３には図７に示したヒータ４０が設けられ、光位相シフタの形成部６４には図７に示したヒータ５０が設けられている。
【００４１】
ここで、チャネル導波路アレイ３中の導波路の本数は１２０本、チャネル導波路アレイ３中の各導波路の間隔は２５μｍ、チャネル導波路アレイ３中の隣接する導波路の長さの差は６２．４μｍ、回折次数は６０、チャネル導波路アレイ３中の隣接する導波路におけるヒータの長さの差ΔＬｈは１００μｍとした。
【００４２】
光導波路及びヒータの材料、構造、作製法は実施の形態１と同様である。但し、ヒータ幅は４５μｍとした。ヒータ抵抗は第１及び第２のヒータとも１２０Ωであった。
【００４３】
波長１．５５μｍ帯のＡＳＥ広帯域光源及び光スペクトルアナライザをそれぞれ入出力ポートに接続してフィルタ特性を測定した。ヒータに電力を与えない場合の波長フィルタ特性は、透過中心波長１５５０ｎｍ、挿入損失５．５ｄＢ、クロストーク−３２ｄＢ（１５５０±０．８ｎｍ）であった。
【００４４】
第１のヒータに加熱電力を与えた時、透過中心波長は与えた電力に対して−８ｎｍ／Ｗの割合で変化した。一方、第２のヒータに加熱電力を与えた時は、８ｎｍ／Ｗの割合であった。加熱電力を０〜１．８Ｗに設定することで、透過中心波長を１５３６〜１５６４ｎｍの範囲で制御できることを確認した。また、透過中心波長変化に伴う挿入損失及びクロストークの顕著な増加は認められなかった。
【００４５】
【実施の形態３】
図１０は本発明の光位相シフタ付きアレイ導波路型光スイッチの実施の形態の一例、ここでは図７に示した光位相シフタを応用した例を示すもので、図中、従来例と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、１１は共通ポート導波路、１２は分岐ポート導波路、１３はチャネル導波路アレイ、１４は第１の扇形スラブ導波路、１５は第２の扇形スラブ導波路、６５，６６は光位相シフタの形成部である。
【００４６】
光位相シフタの形成部６５には図７に示したヒータ４０が設けられ、光位相シフタの形成部６６には図７に示したヒータ５０が設けられている。
【００４７】
ここで、チャネル導波路アレイ１３中の導波路の本数は１２０本、チャネル導波路アレイ１３中の各導波路の間隔は２０μｍ、チャネル導波路アレイ１３中の隣接する導波路におけるヒータの長さの差ΔＬｈは８０μｍとした。分岐ポート導波路１２の本数は１６本、スラブ導波路１４，１５の長さは６ｍｍとした。
【００４８】
各ヒータはそれぞれ５ブロックに分割し、第１のヒータ同士及び第２のヒータ同士はそれぞれ並列に外部結線した。光導波路及びヒータの材料、構造、作製法は実施の形態１と同様である。但し、ヒータ幅は４５μｍとした。ヒータ抵抗は第１及び第２のヒータとも７０Ωであった。
【００４９】
波長１．５５μｍのＬＤ光源及び光パワーメータをそれぞれ共通ポート、分岐ポートに接続してスイッチ特性を測定した。第１または第２のヒータに０．３〜５．０Ｗの加熱電力を与えたところ、１６本の分岐ポートを順次透過状態とすることができた。全分岐ポート中で、最大挿入損失は４．５ｄＢ、最大クロストークは−３８ｄＢであり、１×１６光スイッチとして働いていることが確認できた。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低消費電力でクロストークの低い波長可変光フィルタや１×Ｎ光スイッチを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光位相シフタ付きアレイ導波路格子型波長可変光フィルタを示す平面図
【図２】従来の光位相シフタの一例を示す平面図
【図３】従来の光位相シフタの他の例を示す平面図
【図４】光位相シフタ付きアレイ導波路型光スイッチを示す平面図
【図５】従来の光位相シフタのさらに他の例を示す平面図
【図６】本発明の光位相シフタの一例を示す平面図
【図７】本発明の光位相シフタの他の例を示す平面図
【図８】本発明のアレイ導波路格子型波長可変光フィルタの実施の形態の一例を示す平面図
【図９】本発明のアレイ導波路格子型波長可変光フィルタの実施の形態の他の例を示す平面図
【図１０】本発明のアレイ導波路型光スイッチの実施の形態の一例を示す平面図
【符号の説明】
１：入力ポート導波路、２：出力ポート導波路、３，１３：チャネル導波路アレイ、４，１４：第１の扇形スラブ導波路、５，１５：第２の扇形スラブ導波路、１１：共通ポート導波路、１２：分岐ポート導波路、２０，４０：第１のヒータ、２１，３１，４１，５１：加熱ヒータ部、２２，３２，４２，５２：接続ヒータ部、３０，５０：第２のヒータ、６１，６２，６３，６４，６５，６６：光位相シフタの形成部、Ａ：鋭角部分、Ｂ：鈍角部分、Ｅ１，Ｅ２：ヒータ加熱用電源。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光信号処理において用いられる光位相シフタ並びにこれを用いた光フィルタ及び光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長多重（ＷＤＭ）通信システムは、光伝送路の伝送可能な波長帯域内に波長の異なる複数の光信号を多重させることで、伝送容量の増大を図った光通信システムである。このシステムにおいては、光路切替のスイッチング機能とともに、波長多重信号から特定の波長の光信号を分離したり合波したりする機能が基本的に重要である。
【０００３】
ＷＤＭ通信システムの中で波長多重信号から任意の１つの波長の光信号を取り出す用途には、波長可変光フィルタが用いられる。波長可変光フィルタとしては、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）の透過中心波長を、光導波路の熱光学（ＴＯ）効果を利用して可変とするＡＷＧ型熱光学波長可変光フィルタが、低損失でクロストークが小さい特長を持つため注目されている。
【０００４】
発明者らは、ポリマ光導波路によるＡＷＧのチップの温度を変化させることで９ｎｍの透過波長可変範囲を得ている（Ｓ．Ｔｏｙｏｄａ ｅｔ ａｌ．”Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｌｏｗ−ｃｒｏｓｓｔａｌｋｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ＡＷＧ−ｂａｓｅｄ ｔｕｎａｂｌｅ ｆｉｌｔｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｏｕｎｄ １．５５μｍ”，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１１（９），ｐｐ．１１４１−１１４３，１９９９参照）。
【０００５】
さらに、可変波長範囲を広げ、応答速度を早くするために、ＡＷＧのチャネル導波路アレイに光位相シフタを設けることが提案されている（特開平５−３２３２４６号公報参照）。
【０００６】
図１は前述した光位相シフタ付きＡＷＧ型波長可変光フィルタを示すもので、図中、１は入力ポート導波路、２は出力ポート導波路、３は光路長が互いに異なる複数のチャネル導波路からなるチャネル導波路アレイ、４は入力ポート導波路１とチャネル導波路アレイ３とを結ぶ第１の扇形スラブ導波路、５は出力ポート導波路２とチャネル導波路アレイ３とを結ぶ第２の扇形スラブ導波路、６は光位相シフタの形成部である。
【０００７】
光位相シフタは、図２に示すように、チャネル導波路アレイ３と、該チャネル導波路アレイ３上に形成されたジグザグ形状のストリップ状薄膜ヒータ７とからなっている。
【０００８】
ここで、ヒータ加熱による温度上昇をΔＴ、チャネル導波路アレイの等価屈折率をｎａ、チャネル導波路アレイ中の隣接する２つのチャネル導波路上のヒータ長の差をΔＬｈ、回折次数をｍとすると、透過中心波長の変化Δλ０は、
Δλ０＝（ΔＬｈ／ｍ）（ｄｎａ／ｄＴ）ΔＴ ……（１）
となる。
【０００９】
設計上ΔＬｈを大きくすることでより小さい温度変化、即ち少ないヒータ電力で同じ可変波長範囲が得られる。さらに、図３に示すように、逆符号の位相差を生じさせる薄膜ヒータ８，９を組み合わせて、両ヒータを切り替えることによる波長可変帯域の拡大が提案されている。
【００１０】
図３の構造において、チャネル導波路アレイ中の各チャネル導波路と重なるヒータの長さを等差数列になるよう設計しても、ヒータが鋭角的に曲がる鋭角部分Ａと鈍角的に曲がる鈍角部分Ｂとが位相差付与において等価な構造をなさないため、目的の光路長差は得られない。たとえ、熱拡散の計算等から偏差を補正しても、光導波路の厚みが変更となれば補正量が変わるので、ヒータも設計し直す必要が生じる問題がある。
【００１１】
一方、ＷＤＭ通信システムのクロスコネクトやアドドロップマルチプレクサには、光路切替用の光スイッチが必要となる。この用途には、可動部分が無く、挿入損失が低く、小型で集積化が容易な光導波路型熱光学光スイッチが有望視されている。小型の１×Ｎ熱光学光スイッチとしてアレイ導波路型光スイッチが提案されている。
【００１２】
図４は光位相シフタ付きアレイ導波路型光スイッチを示すもので、図中、１１は共通ポート導波路、１２は分岐ポート導波路、１３は光路長が互いに等しい複数のチャネル導波路からなるチャネル導波路アレイ、１４は共通ポート導波路１１とチャネル導波路アレイ１３とを結ぶ第１の扇形スラブ導波路、１５は分岐ポート導波路１２とチャネル導波路アレイ１３とを結ぶ第２の扇形スラブ導波路、１６は光位相シフタの形成部である。
【００１３】
前記構成において、共通ポート導波路１１に入力された信号光は、第１のスラブ扇形導波路１４を経てチャネル導波路アレイ１３の各導波路に分配される。チャネル導波路アレイ１３の各導波路が光路長差を持たないために、信号光は第２の扇形スラブ導波路１５を経て複数の分岐ポート導波路１２の中央の導波路へ集光する。この際、光位相シフタを動作させると集光位置が移動し、信号光が出力する分岐ポート導波路を選択することができる。
【００１４】
ここでも、図３に示した構造の光位相シフタが用いられるが、光スイッチの場合も、鋭角部分Ａと鈍角部分Ｂとが等価でないために生じる特性の悪化の問題は、前述した波長可変光フィルタの場合と同様である。
【００１５】
鋭角部分Ａと鈍角部分Ｂとが等価でないために生じる特性の悪化の問題を解決するため、図５に示すように、チャネル導波路アレイ１３の各チャネル導波路上を往復するレイアウト構造の薄膜ヒータ１７を用いた方式が提案されている。
【００１６】
一般に、チャネル導波路アレイは、２０μｍ程度の間隔を隔てて配置された１００本程度の光導波路で構成される。ここで、ΔＬｈを１００μｍとすると、ヒータ総延長は５００ｍｍにもなる。幅１５μｍ、厚さ１μｍの金薄膜ヒータを用いると、ヒータ抵抗は約８００Ωに達する。１Ｗ程度の加熱電力でも約３０Ｖの駆動電圧となり、駆動電圧が高いために使い難いという問題があった。図５に示すようなレイアウトのヒータの幅は、光導波路同士の間隔の半分以上には広げることはできないため、印加電圧を低下させるには限界があった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
クロストークの低いＡＷＧ型波長可変光フィルタやアレイ導波路型光スイッチを実現するために、チャネル導波路アレイの各チャネル導波路に正確に等差数列的な光路長差を与えられるヒータ構造、低電圧で駆動するヒータ抵抗を有するヒータ構造の開発が必要である。
【００１８】
本発明の目的は、複数のチャネル導波路に正確に等差数列的な光路長差を与えることができ、かつ低電圧駆動が可能な光位相シフタ並びにこれを用いた光フィルタ及び光スイッチを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の請求項１では、複数のチャネル導波路と、該複数のチャネル導波路上に設けられたヒータとからなる光位相シフタにおいて、ヒータは、複数のチャネル導波路に沿ってそれぞれ設けられ、その長さが隣接するチャネル導波路に対応するもの同士の間で隣接する一方向に向かって減少または増加し、各チャネル導波路上に略三角形状に配置される複数の加熱ヒータ部と、隣接する加熱ヒータ部の一端同士を１つ置きに接続し、該一端同士で接続されない隣接する加熱ヒータ部の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部とからなる第１のヒータと、複数の加熱ヒータ部における長さの減少または増加する方向が逆である点を除いて第１のヒータと同様な構成を有し、第１のヒータに近接して設けられた第２のヒータとよりなり、第１及び第２のヒータのそれぞれにおいて、各チャネル導波路に対応する加熱ヒータ部と接続ヒータ部との接続部における鋭角部分と鈍角部分の数が同数である光位相シフタを提案する。
【００２０】
また、本発明の請求項２では、第１または第２のヒータのいずれか一方をその中央部においてチャネル導波路と直交する方向に２分し、この際、切断された加熱ヒータ部のうち一端同士あるいは他端同士で接続されていない隣接する加熱ヒータ部同士を接続するとともに、該接続部位が外側に位置するように前記２分されたヒータを２分されないヒータの両側に配置した請求項１記載の光位相シフタを提案する。
【００２１】
図６に前述した本発明の請求項２に対応する光位相シフタの構造を示す。図中、２０は第１のヒータ、３０は第２のヒータ、Ｅ１，Ｅ２はヒータ加熱用電源である。
【００２２】
第１のヒータ２０は、チャネル導波路アレイ３を構成する複数のチャネル導波路に沿ってそれぞれ設けられ、その長さが隣接するチャネル導波路に対応するもの同士の間で隣接する一方向に向かって減少または増加（ここでは図面下方に向かって減少）し、各チャネル導波路上に略三角形状に配置される複数の加熱ヒータ部２１と、隣接する加熱ヒータ部２１の一端同士を１つ置きに接続し、該一端同士で接続されない隣接する加熱ヒータ部２１の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部２２とからなっている。
【００２３】
また、第２のヒータ３０は、長さの減少または増加する方向が逆（ここでは図面下方に向かって増加）である点を除いて前記複数の加熱ヒータ部２１と同様な複数の加熱ヒータ部３１と、前記複数の接続ヒータ部２２と同様な複数の接続ヒータ部３２とからなっているが、ここではその中央部においてチャネル導波路アレイ３を構成するチャネル導波路と直交する方向に２分し、この際、切断された加熱ヒータ部３１のうち一端同士あるいは他端同士で接続されていない隣接する加熱ヒータ部３１同士を接続するとともに、該接続部位が外側に位置するように第１のヒータ２０の両側に配置している。
【００２４】
前記構成によれば、第１のヒータ２０及び第２のヒータ３０とも、チャネル導波路アレイ３を構成する各チャネル導波路においてヒータ折り返し領域の鋭角部分Ａと鈍角部分Ｂとが同数となり、各チャネル導波路は等価に加熱されることになり、位相誤差は生じない。また、各ヒータの幅は最大、隣接するチャネル導波路間の幅程度まで大きくすることができる。
【００２５】
なお、図６では第２のヒータ３０を２つに分けて配置したが、１つのものとして、ちょうど第１のヒータ２０の上下を逆転させたような形状のものとして配置しても良い（請求項１）。但し、この場合は、チャネル導波路に沿う方向に対する第１及び第２のヒータを合わせた全体の長さがより長くなる。
【００２６】
また、前記課題を解決するため、本発明の請求項３では、複数のチャネル導波路と、該複数のチャネル導波路上に設けられたヒータとからなる光位相シフタにおいて、ヒータは、複数のチャネル導波路と直交する方向にそれぞれ設けられ、その長さが隣接するもの同士の間で隣接する一方向に向かって１つ置きに減少または増加し、その一端が任意のチャネル導波路に対して同一の距離に配置される複数の加熱ヒータ部と、隣接する長さが異なる加熱ヒータ部の一端同士を接続し、隣接する長さが同一の加熱ヒータ部の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部とからなる第１のヒータと、複数の加熱ヒータ部における長さの減少または増加する方向が逆である点を除いて第１のヒータと同様な構成を有し、第１のヒータに近接して設けられた第２のヒータとよりなり、第１及び第２のヒータのそれぞれにおいて、接続ヒータ部は加熱ヒータ部の一端同士及び他端同士をそれぞれ直線的に接続する光位相シフタを提案する。
【００２７】
図７に前述した本発明の請求項３に対応する光位相シフタの構造を示す。図中、４０は第１のヒータ、５０は第２のヒータ、Ｅ１，Ｅ２はヒータ加熱用電源である。
【００２８】
第１のヒータ４０は、チャネル導波路アレイ３を構成する複数のチャネル導波路と直交する方向にそれぞれ設けられ、その長さが隣接するもの同士の間で隣接する一方向に向かって１つ置きに減少または増加（ここでは図面右方に向かって増加）し、その一端が任意のチャネル導波路に対して同一の距離に配置される複数の加熱ヒータ部４１と、隣接する長さが異なる加熱ヒータ部４１の一端同士を接続し、隣接する長さが同一の加熱ヒータ部４１の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部４２とからなっている。
【００２９】
また、第２のヒータ５０は、長さの減少または増加する方向が逆（ここでは図面右方に向かって減少）である点を除いて前記複数の加熱ヒータ部４１と同様な複数の加熱ヒータ部５１と、前記複数の接続ヒータ部４２と同様な複数の接続ヒータ部５２とからなっている。
【００３０】
前記構成によれば、第１のヒータ４０及び第２のヒータ５０とも、チャネル導波路アレイ３を構成する各チャネル導波路に対するヒータ折り返し領域の熱的に非等価な部分がないため、各チャネル導波路は等価に加熱されることになり、位相誤差は生じない。ここで、各チャネル導波路において、ヒータ直下の部分とヒータが直上にない領域が存在するが、接続ヒータ部４２，５２の長さを適当に調節すれば、熱拡散により、ヒータ直下の部分とヒータが直上にない領域とを均一な温度に保つことができる。また、各ヒータの幅は最大、隣接するチャネル導波路間の２倍幅程度まで大きくすることができる。
【００３１】
また、前記課題を解決するため、本発明の請求項４では、チャネル導波路アレイ上に請求項１乃至３いずれか記載の光位相シフタを構成するヒータを設けたアレイ導波路格子型波長可変光フィルタを提案する。
【００３２】
また、前記課題を解決するため、本発明の請求項５では、チャネル導波路アレイ上に請求項１乃至３いずれか記載の光位相シフタを構成するヒータを設けたアレイ導波路型光スイッチを提案する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
【００３４】
【実施の形態１】
図８は本発明の光位相シフタ付きＡＷＧ型波長可変光フィルタの実施の形態の一例、ここでは図６に示した光位相シフタを応用した例を示すもので、図中、従来例と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、１は入力ポート導波路、２は出力ポート導波路、３はチャネル導波路アレイ、４は第１の扇形スラブ導波路、５は第２の扇形スラブ導波路、６１，６２は光位相シフタの形成部である。
【００３５】
光位相シフタの形成部６１には図６に示したヒータ２０が設けられ、光位相シフタの形成部６２には図６に示したヒータ３０が設けられている。
【００３６】
ここで、チャネル導波路アレイ３中の導波路の本数は１２０本、チャネル導波路アレイ３中の各導波路の間隔は２５μｍ、チャネル導波路アレイ３中の隣接する導波路の長さの差は６２．４μｍ、回折次数は６０、チャネル導波路アレイ３中の隣接する導波路におけるヒータの長さの差ΔＬｈは１００μｍとした。
【００３７】
屈折率１．４９４の重水素化シリコーン樹脂をコアに、屈折率１．４８５の重水素化シリコーン樹脂をクラッドに用いて、上記設計の光導波路を作製した。シリコーン樹脂光導波路の作成方法は「熱光学デバイス」（特開平１０−３１９４４５号公報）記載の方法に準じた。コア断面サイズは７μｍ×７μｍ、下層クラッド厚、コア上の上部クラッド厚は、それぞれ２０μｍ、１２μｍとした。導波路上に金薄膜をスパッタ法で形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて上記設計の幅１８μｍ、厚さ２μｍストリップ状の薄膜ヒータを作製した。ヒータ抵抗は第１及び第２のヒータとも２４０Ωであった。
【００３８】
波長１．５５μｍ帯のＡＳＥ広帯域光源及び光スペクトルアナライザをそれぞれ入出力ポートに接続してフィルタ特性を測定した。ヒータに電力を与えない場合の波長フィルタ特性は、透過中心波長１５５０ｎｍ、挿入損失５．５ｄＢ、クロストーク−３２ｄＢ（１５５０±０．８ｎｍ）であった。
【００３９】
第１のヒータに加熱電力を与えた時、透過中心波長は与えた電力に対して−８ｎｍ／Ｗの割合で変化した。一方、第２のヒータに加熱電力を与えた時は、８ｎｍ／Ｗの割合であった。加熱電力を０〜１．８Ｗに設定することで、透過中心波長を１５３６〜１５６４ｎｍの範囲で制御できることを確認した。また、透過中心波長変化に伴う挿入損失及びクロストークの顕著な増加は認められなかった。
【００４０】
【実施の形態２】
図９は本発明の光位相シフタ付きＡＷＧ型波長可変光フィルタの実施の形態の他の例、ここでは図７に示した光位相シフタを応用した例を示すもので、図中、６３，６４は光位相シフタの形成部であり、光位相シフタの形成部６３には図７に示したヒータ４０が設けられ、光位相シフタの形成部６４には図７に示したヒータ５０が設けられている。
【００４１】
ここで、チャネル導波路アレイ３中の導波路の本数は１２０本、チャネル導波路アレイ３中の各導波路の間隔は２５μｍ、チャネル導波路アレイ３中の隣接する導波路の長さの差は６２．４μｍ、回折次数は６０、チャネル導波路アレイ３中の隣接する導波路におけるヒータの長さの差ΔＬｈは１００μｍとした。
【００４２】
光導波路及びヒータの材料、構造、作製法は実施の形態１と同様である。但し、ヒータ幅は４５μｍとした。ヒータ抵抗は第１及び第２のヒータとも１２０Ωであった。
【００４３】
波長１．５５μｍ帯のＡＳＥ広帯域光源及び光スペクトルアナライザをそれぞれ入出力ポートに接続してフィルタ特性を測定した。ヒータに電力を与えない場合の波長フィルタ特性は、透過中心波長１５５０ｎｍ、挿入損失５．５ｄＢ、クロストーク−３２ｄＢ（１５５０±０．８ｎｍ）であった。
【００４４】
第１のヒータに加熱電力を与えた時、透過中心波長は与えた電力に対して−８ｎｍ／Ｗの割合で変化した。一方、第２のヒータに加熱電力を与えた時は、８ｎｍ／Ｗの割合であった。加熱電力を０〜１．８Ｗに設定することで、透過中心波長を１５３６〜１５６４ｎｍの範囲で制御できることを確認した。また、透過中心波長変化に伴う挿入損失及びクロストークの顕著な増加は認められなかった。
【００４５】
【実施の形態３】
図１０は本発明の光位相シフタ付きアレイ導波路型光スイッチの実施の形態の一例、ここでは図７に示した光位相シフタを応用した例を示すもので、図中、従来例と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、１１は共通ポート導波路、１２は分岐ポート導波路、１３はチャネル導波路アレイ、１４は第１の扇形スラブ導波路、１５は第２の扇形スラブ導波路、６５，６６は光位相シフタの形成部である。
【００４６】
光位相シフタの形成部６５には図７に示したヒータ４０が設けられ、光位相シフタの形成部６６には図７に示したヒータ５０が設けられている。
【００４７】
ここで、チャネル導波路アレイ１３中の導波路の本数は１２０本、チャネル導波路アレイ１３中の各導波路の間隔は２０μｍ、チャネル導波路アレイ１３中の隣接する導波路におけるヒータの長さの差ΔＬｈは８０μｍとした。分岐ポート導波路１２の本数は１６本、スラブ導波路１４，１５の長さは６ｍｍとした。
【００４８】
各ヒータはそれぞれ５ブロックに分割し、第１のヒータ同士及び第２のヒータ同士はそれぞれ並列に外部結線した。光導波路及びヒータの材料、構造、作製法は実施の形態１と同様である。但し、ヒータ幅は４５μｍとした。ヒータ抵抗は第１及び第２のヒータとも７０Ωであった。
【００４９】
波長１．５５μｍのＬＤ光源及び光パワーメータをそれぞれ共通ポート、分岐ポートに接続してスイッチ特性を測定した。第１または第２のヒータに０．３〜５．０Ｗの加熱電力を与えたところ、１６本の分岐ポートを順次透過状態とすることができた。全分岐ポート中で、最大挿入損失は４．５ｄＢ、最大クロストークは−３８ｄＢであり、１×１６光スイッチとして働いていることが確認できた。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低消費電力でクロストークの低い波長可変光フィルタや１×Ｎ光スイッチを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光位相シフタ付きアレイ導波路格子型波長可変光フィルタを示す平面図
【図２】従来の光位相シフタの一例を示す平面図
【図３】従来の光位相シフタの他の例を示す平面図
【図４】光位相シフタ付きアレイ導波路型光スイッチを示す平面図
【図５】従来の光位相シフタのさらに他の例を示す平面図
【図６】本発明の光位相シフタの一例を示す平面図
【図７】本発明の光位相シフタの他の例を示す平面図
【図８】本発明のアレイ導波路格子型波長可変光フィルタの実施の形態の一例を示す平面図
【図９】本発明のアレイ導波路格子型波長可変光フィルタの実施の形態の他の例を示す平面図
【図１０】本発明のアレイ導波路型光スイッチの実施の形態の一例を示す平面図
【符号の説明】
１：入力ポート導波路、２：出力ポート導波路、３，１３：チャネル導波路アレイ、４，１４：第１の扇形スラブ導波路、５，１５：第２の扇形スラブ導波路、１１：共通ポート導波路、１２：分岐ポート導波路、２０，４０：第１のヒータ、２１，３１，４１，５１：加熱ヒータ部、２２，３２，４２，５２：接続ヒータ部、３０，５０：第２のヒータ、６１，６２，６３，６４，６５，６６：光位相シフタの形成部、Ａ：鋭角部分、Ｂ：鈍角部分、Ｅ１，Ｅ２：ヒータ加熱用電源。
Claims (5)
- 複数のチャネル導波路と、該複数のチャネル導波路上に設けられたヒータとからなる光位相シフタにおいて、
ヒータは、
複数のチャネル導波路に沿ってそれぞれ設けられ、その長さが隣接するチャネル導波路に対応するもの同士の間で隣接する一方向に向かって減少または増加し、各チャネル導波路上に略三角形状に配置される複数の加熱ヒータ部と、隣接する加熱ヒータ部の一端同士を１つ置きに接続し、該一端同士で接続されない隣接する加熱ヒータ部の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部とからなる第１のヒータと、
複数の加熱ヒータ部における長さの減少または増加する方向が逆である点を除いて第１のヒータと同様な構成を有し、第１のヒータに近接して設けられた第２のヒータとよりなり、
第１及び第２のヒータのそれぞれにおいて、各チャネル導波路に対応する加熱ヒータ部と接続ヒータ部との接続部における鋭角部分と鈍角部分の数が同数である
ことを特徴とする光位相シフタ。 - 第１または第２のヒータのいずれか一方をその中央部においてチャネル導波路と直交する方向に２分し、この際、切断された加熱ヒータ部のうち一端同士あるいは他端同士で接続されていない隣接する加熱ヒータ部同士を接続するとともに、該接続部位が外側に位置するように前記２分されたヒータを２分されないヒータの両側に配置したことを特徴とする請求項１記載の光位相シフタ。
- 複数のチャネル導波路と、該複数のチャネル導波路上に設けられたヒータとからなる光位相シフタにおいて、
ヒータは、
複数のチャネル導波路と直交する方向にそれぞれ設けられ、その長さが隣接するもの同士の間で隣接する一方向に向かって１つ置きに減少または増加し、その一端が任意のチャネル導波路に対して同一の距離に配置される複数の加熱ヒータ部と、隣接する長さが異なる加熱ヒータ部の一端同士を接続し、隣接する長さが同一の加熱ヒータ部の他端同士を接続する複数の接続ヒータ部とからなる第１のヒータと、
複数の加熱ヒータ部における長さの減少または増加する方向が逆である点を除いて第１のヒータと同様な構成を有し、第１のヒータに近接して設けられた第２のヒータとよりなり、
第１及び第２のヒータのそれぞれにおいて、接続ヒータ部は加熱ヒータ部の一端同士及び他端同士をそれぞれ直線的に接続する
ことを特徴とする光位相シフタ。 - 少なくとも１本の入力ポート導波路と、少なくとも１本の出力ポート導波路と、光路長が互いに異なる複数のチャネル導波路からなるチャネル導波路アレイと、前記入力ポート導波路とチャネル導波路アレイとを結ぶ第１の扇形スラブ導波路と、前記出力ポート導波路とチャネル導波路アレイとを結ぶ第２の扇形スラブ導波路とを備えたアレイ導波路格子型波長可変光フィルタにおいて、
チャネル導波路アレイ上に請求項１乃至３いずれか記載の光位相シフタを構成するヒータを設けた
ことを特徴とするアレイ導波路格子型波長可変光フィルタ。 - 少なくとも１本の共通ポート導波路と、複数の分岐ポート導波路と、光路長が互いに等しい複数のチャネル導波路からなるチャネル導波路アレイと、前記共通ポート導波路とチャネル導波路アレイとを結ぶ第１の扇形スラブ導波路と、前記分岐ポート導波路とチャネル導波路アレイとを結ぶ第２の扇形スラブ導波路とを備えたアレイ導波路型光スイッチにおいて、
チャネル導波路アレイ上に請求項１乃至３いずれか記載の光位相シフタを構成するヒータを設けた
ことを特徴とするアレイ導波路型光スイッチ。
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