JP3786865B2

JP3786865B2 - 光遅延回路およびその製造方法

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Publication number: JP3786865B2
Application number: JP2001365171A
Authority: JP
Inventors: 健佐久間; 紫文石川; 朋子四方; 武司福田; 英行細谷
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP2003167129A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
光通信分野において光バッファメモリとして利用されている光遅延回路に関し、特に、従来に比して小型化が可能であって、遅延時間の精度が極めて高く、容易に量産できる光遅延回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パケット交換機やルータ、ＡＴＭ交換機などの光通信伝送機器において、複数の光信号を同時に受け取った場合、光バッファメモリを用いて一方の光信号の伝送を所定の時間遅延させ、光信号の順序を整えて送り出すことが一般的に行われている。
このような光バッファメモリは、光ファイバや反射鏡などを用いて該光信号を長距離伝幡させ、所望の遅延時間を得ているものである。光バッファメモリには、一般に光ファイバが用いられており、これを特に光遅延線という。
【０００３】
例えば、光信号の伝送単位である１セルが４２４ビットに相当し、伝送速度が１５６Ｍｂｐｓの場合、１セルの光信号を伝送するのに要する時間は２．７２μｓである。従って、光ファイバ中の光速を２．０５×１０⁸ｍ／ｓとすると、光信号を１セル分遅延させるのに必要な光遅延線の光ファイバ長は５５８ｍである。この場合、例えば１〜４セルに相当する光バッファメモリが必要なときは、それぞれ５５８ｍ、１１１５ｍ、１６７３ｍ、２２３０ｍの光遅延線を並列に接続してアレイとし、光スイッチを用いて光信号のそれぞれのセルに対して適切な光遅延線を選択し、所望の遅延時間を得るようにすればよい。
【０００４】
同様に、伝送速度が６２２Ｍｂｐｓの場合、１セル分の遅延時間は６８２ｎｓであってこの遅延時間に相当する光ファイバ長は１４０ｍである。伝送速度が２．５Ｇｂｐｓの場合、１セル分の遅延時間は１７０ｎｓ、これに相当する光ファイバ長は３５ｍであり、１０Ｇｂｐｓの場合、１セル分の遅延時間は４２．４ｎｓ、これに相当する光ファイバ長は８．７ｍとなる。
実際の光信号の伝送においては、光信号の信頼性を向上するため、冗長符号化やガードタイム等を利用し、それに対応する分、前記遅延時間および光ファイバ長を長くとることが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光通信技術の進展により、光信号の伝送速度が大幅に向上するにつれ、光遅延線に必要な光ファイバ長が短くなってきている。
例えば、伝送速度が４０Ｇｂｐｓの場合、１セル分の遅延時間は１０．６ｎｓであって、この遅延時間に相当する光ファイバ長は２．１７ｍである。また、伝送速度が１６０Ｇｂｐｓの場合、１セル分の遅延時間は２．６５ｎｓ、これに相当する光ファイバ長は５４．３ｃｍである。
【０００６】
このように光ファイバ長が短くなったとしても、光ファイバの曲げ半径を限度以上に小さくすると過大な曲げ損失が発生するので、光遅延線の小型化は困難である。また、融着またはコネクタにて接続するとき発生する光ファイバ長の誤差が相対的に大きくなるので、大量生産時に精度の高い光遅延線を再現性よく製造することが極めて困難になる。
従って、光通信の一層の高速化のためには、光ファイバを用いた光遅延線は不適切であると考えられている。
【０００７】
このため、前記光バッファメモリとして、光ファイバを用いた光遅延線に代えて、光導波路を用いた光遅延回路が提案されている。光導波路を用いることによって、小型の光遅延回路が容易に製造でき、しかも、高い精度を再現性よく得られる利点がある。
この種の光遅延回路に使用可能であって、１ｍ以上の導波路長を有する光導波路の特性に関しては、例えば、Y. Hibinoらによる報告（Electronics Letters, Vol. 29, No.21, 14th Oct. 1993 "Propagation loss characteristics of long silica-based optical waveguides on 5 inch Si wafers"）がある。
【０００８】
図５に、特公平８−２３６１１号公報により提案されている光導波路を用いた光遅延回路の一例を示す。図５において、符号１０１は光導波路基板である。そして光導波路基板１０１の内部には、コア１０２が形成されている。そしてこのコア１０２は、一端から一方向に周回している入力側コア１０２ａと、前記入力側コア１０２ａの逆方向に周回している出力側コア１０２ｂとからなっている。さらに、前記入力側コア１０２ａと前記出力側コア１０２ｂとは、Ｓ字形に結合することによって、互いに交差しないようになっている。
【０００９】
ここで、入力側コア１０２ａと出力側コア１０２ｂとは、一本のコア１０２として同一の工程で形成されるが、説明をわかりやすくするために、名称を変えるとともに、図７において、入力側コア１０２ａには実線を用いて、また、出力側コア１０２ｂには破線を用いて、区別して表示している。
そして、前記コア１０２の両端は入出力用光ファイバ１１２に接続されており、この入出力用光ファイバ１１２は、Ｖ溝基板、フェルール、キャピラリ等の固定部材１１３によって、光導波路基板１０１の側面に固定されている。
【００１０】
この光導波路基板１０１は、図６にその部分構造を示すように、一般に、シリコンウエハまたは石英ガラスウエハ等のウエハ１１０の上に形成された下部クラッド１０３ａと、この下部クラッド１０３ａの上に形成されたコア１０２と、このコア１０２の上に形成された上部クラッド１０３ｂとから構成されている。
一般に、コア１０２を所定の形状に形成するためには、下部クラッド１０３ａの上にコア１０２となる材料を全面堆積し、次いで、フォトリソグラフィーや反応性イオンエッチングなどの手法を用いてパターニングする方法、または、下部クラッド１０３ａの材料の組成をイオン交換法などにより部分的に変化させてコア１０２とする方法が用いられている。
これらの方法によれば、前記コア１０２は下部クラッド１０３ａの上に平面的に形成されることになる。前記コア１０２が交差を有すると、この交差において大きな損失が発生するので、図６に示すように、前記コア１０２の交差が避けられているのである。
【００１１】
また、一般に、前記コア１０２の周回部では、曲げ半径ｒが小さいと光がコア１０２の外部に放射されて漏洩するため、曲げ損失が発生する。従って、該周回部の曲げ半径ｒは、所定の値以上にする必要がある。
図５に示す光遅延回路においては、その中央部に半径ｒの円を２個含む必要があり、光遅延回路の寸法が大きくなる。図７に示すように、コア１０２を渦巻き状に形成して、その中央部は半径ｒの円を１個のみ含む形状とすれば、回路寸法を小さくできるが、従来の図６に示すような平面型光導波路では、コア１０２が交差するので、損失が増大する問題がある。
【００１２】
また、光遅延回路の一層の小型化を達成するためには、コア１０２とクラッド１０３との比屈折率差を高めて、光の閉じ込めを強くし、これによって、前記曲げ半径ｒを小さく取れるようにする方法が考えられる。しかしながら、コア１０２とクラッド１０３との比屈折率差を高めると、該光導波路のモールドフィールド径が小さくなり、前記入出力用光ファイバ１１２との接続損失が大きくなる問題がある。
【００１３】
従って、本発明の課題は、従来に比して小型化することができ、かつ、精度良く大量量産することが可能な光遅延回路およびその製造方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光遅延回路は、光導波路のコアが一方向に周回している周回部と、該周回部の両端に接続されている入力部および出力部とを有し、かつ前記コアは互いに交差することなく滑らかに連続して形成されており、かつ前記周回部において三次元的に前記コアの深さが変化していることを特徴としており、これによって、前記課題を解決することができる。
このような光遅延回路は、ガラス材料の所定の部位にフェムト秒レーザ光を集光照射して、該照射部位の屈折率を変化させることにより、該ガラス材料の内部に光導波路を形成することにより製造することができる。
さらに、このフェムト秒レーザ光の集光照射を複数回行うことにより、所定の光路長を有する光導波路を容易に形成することができ、光遅延回路の精度が一層向上させられる。
上述の光遅延回路を用いることにより、小型で高精度の光部品モジュールを製造することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づいて、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の光遅延回路の一例を示す平面図および側面図である。
図１において、符号１は光導波路基板である。この光導波路基板１の内部には、コア２と、該コア２を取り囲むクラッド３とが形成されている。そして、前記コア２は、一方向に周回してなる周回部４と、この周回部４の両端に接続されている入力部５ａおよび出力部５ｂとからなる。前記コア２は、三次元的に深さが変化しており、互いに交差しないようになっている。
また、前記周回部４においては、コア２の互いに近接する部分が方向性結合器として作用し、クロストークが発生することを抑制するため、一周ごとに所定の間隔にて離隔されている。
【００１６】
そして、前記コア２は、入力端６ａにおいて入力用光ファイバ１２ａに、また、出力端６ｂにおいて出力用光ファイバ１２ｂに接続されており、これにより、外部の伝送路と連結できるようになっている。
入力用光ファイバ１２ａは入力用光ファイバ固定部材１３ａによって、また、出力用光ファイバ１２ｂは出力用光ファイバ固定部材１３ｂによって、それぞれ、光導波路基板１の側面に固定されている。
前記入力用光ファイバ固定部材１３ａおよび出力用光ファイバ固定部材１３ｂとしては、一般に、Ｖ溝基板、フェルール、キャピラリ等が用いられている。
【００１７】
このように、本実施の形態の光遅延回路は、コア２の周回部４が一方向にのみ周回している。従って、回路の中央部に半径ｒの円を１個のみ含むので、従来に比して、光導波路基板１の寸法を小型にすることができる。
上述のように、コア２に交差があると、損失が発生する。このため、本実施の形態の光遅延回路は、コア２の深さを三次元的に変化させ、互いに交差しないようにされる。
【００１８】
コア２を互いに交差しないようにできる形状としては、多くの種類が可能である。次に、図面を参照しながら、典型的な形状について説明する。
図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すコア２の形状は、周回部４においてコア２の深さを変化させるものである。
図２（ａ）に示すコア２の形状は、コア２の深さが深くなるにつれ周回部４の半径を小さくするものである。
図２（ｂ）に示すコア２の形状は、コア２の深さが深くなるにつれ周回部４の半径を大きくするものである。
図２（ｃ）に示すコア２の形状は、コア２の深さによらず周回部４の半径を一定にするものである。
【００１９】
また、出力部５ｂに接続する数周手前から、周回部４の深さを変化させることにより、周回部４におけるコア２の間隔を大きくすることができる。あるいは、水平距離を短くして、配置面積を狭くすることができる。
特に、図２（ｃ）に示すように、曲率半径ｒを一定にすれば、周回部４の周回回数を多くしても、配置面積が大きくならない利点がある。
【００２１】
また、上述の説明において、入力部５ａと出力部５ｂ、および、入力端６ａと出力端６ｂとは、互いに立場を入れ替えることができる。
このほか、コア２の形状は、上述の例に限定されず、周回部４と入力部５ａとにおいてコア２の深さを変える、周回部４と出力部５ｂとにおいてコア２の深さを変える、周回部４と入力部５ａと出力部５ｂとのすべてにおいてコア２の深さを変えるなど、光遅延回路の構成に応じて、種々の改変が可能である。
例えば、１枚の光導波路基板１上に光遅延回路と、光スイッチなどの他の素子とをモノリシックに集積させる場合、前記他の素子との位置関係に応じて、適切な光遅延回路の形状を選択することができる。
【００２６】
上述のような光遅延回路を形成する方法としては、例えば、光誘起屈折率変化を利用した方法を用いることができる。
この光誘起屈折率変化とは、ガラス材料等にフェムト秒レーザ光などを集光照射することにより、該ガラス材料等の構造や組成に変化が起こり、その屈折率が変化する現象である。
光誘起屈折率変化を利用した光導波路の形成方法としては、例えば、特開平９−３１１２３７号公報などに記載がある。
【００２７】
図３は、本実施の形態の光遅延回路の製造方法に用いられる製造装置の一例を示す図である。
この製造装置は、少なくとも、フェムト秒レーザ光２０を発振するためのレーザ発振装置２１と、該フェムト秒レーザ光２０を光導波路基板１に集光するための集光レンズ２２と、光導波路基板１を三次元的に精密に移動させるための精密ステージ２３と、位置合わせのためのＣＣＤカメラなどの観測装置２５を有する。さらに、この製造装置にはハーフミラー２４が設けられており、集光レンズ２２を、前記観測装置２５のための対物レンズとしても使用することができるようになっている。
【００２８】
このような製造装置によれば、観測装置２５により集光点２６の位置をモニタしながら、フェムト秒レーザ光２０を光導波路基板１に集光照射し、集光点２６において光誘起屈折率変化を起こすことができる。そして、精密ステージ２３を用いて光導波路基板１を移動させ、集光点２６の位置を変位させることにより、屈折率が周囲より高くなった部位を連続的に形成することができる。
このように屈折率が周囲より高くなった部位は、図４に示すように、光導波路のコア２とし、そして、その他の部分をクラッド３とすることができるので、光導波路を三次元的に形成することができる。
【００２９】
前記光導波路基板１に使用可能なガラス材料としては、例えば、石英ガラス（ＳｉＯ₂）を板状に加工し、光学研磨したものを用いることができる。または石英ガラスに代えて、ＳｉＯ₂にホウ素（Ｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等をドープしたガラスを用いることもできる。さらに、光誘起屈折率変化を利用できるものであれば、ＳｉＯ₂以外の酸化物ガラス、ハロゲン化物ガラス、硫化物ガラス、カルコゲナイドガラスなどを用いることもできる。
また、前記光導波路基板１として、シリコンウエハや石英ガラスウエハ等のウエハ上に上記ガラス材料を成膜したものを用いることもできる。
【００３０】
また、前記フェムト秒レーザ光２０は、パルス幅が１ｐｓ以下であるレーザ光である。
前記ガラス材料に光誘起屈折率変化を引き起こすためにフェムト秒レーザ光２０を用いる理由は、レーザ光のパルス幅が非常に狭くなって時間圧縮されることにより、該レーザ光のピークパワーが増大し、光誘起屈折率変化の作用を大きくすることができるからである。
また、例えば、８００ｎｍなど、近赤外領域の波長のフェムト秒レーザ光を用いれば、石英ガラスなどの透明材料にほとんど吸収されないので、集光点２６までほとんど減衰することなく到達することができる。
これにより、特開平９−３１１２３７号公報に記載されているように、該ガラス材料に１０⁵Ｗ／ｃｍ²以上のピークパワー強度を与えて光誘起屈折率変化を起こすことができる。
さらに、フェムト秒レーザ光２０の繰り返し周波数を１０ｋＨｚ以上、さらに好ましくは、１００ｋＨｚ以上とすることが好ましい。この場合、繰返し周期が短いことから、所定の経路を連続的に走査することにより、ガラス材料に連続的に屈折率変化を付与し、滑らかに連続したコア２を形成することができる。
【００３１】
なお、集光前にガラス材料に吸収されないフェムト秒レーザ光２０が、集光点２６において該ガラス材料に光誘起屈折率変化をもたらすメカニズムの解明は現在のところ不十分であり、詳細は不明であるが、原理としては、多光子吸収による体積収縮や欠陥の生成などが寄与しているものと考えられる。
【００３２】
コア２とクラッド３との比屈折率差は、一定でもよいが、周回部４の比屈折率差を入力部５ａおよび出力部５ｂのそれより大きくするとさらに好ましい。
その理由は次のとおりである。周回部４の比屈折率差を大きくすることにより、周回部４における光の閉じ込めが強くなり、曲げ損失が小さくなる。また、入力部５ａおよび出力部５ｂの比屈折率差を入力用光ファイバ１２ａおよび出力用光ファイバ１２ｂのそれと同程度にすることにより、接続部近傍での入力部５ａのモードフィールド径と、入力用光ファイバ１２ａのモードフィールド径との差、および、出力部５ｂのモードフィールド径と、出力用光ファイバ１２ｂのモードフィールド径との差が小さくなり、接続損失を小さくすることができる。
このようにコア２の比屈折率差を連続的に変化させるためには、フェムト秒レーザ光２０の強度や集光点２６の移動速度などの照射条件を変化させることによって行うことができる。
【００３３】
また、光導波路基板１へのフェムト秒レーザ光２０の集光照射を複数回行うこともできる。これにより、例えば、１回の照射では光遅延回路の遅延時間が設計より短かった場合でも、再びフェムト秒レーザ光２０を照射して光導波路の一部区間において実効屈折率を増加させ光路長（幾何学的な導波路長と屈折率との積）を長くすることにより、該遅延時間を長くして調整することができる。これにより、光遅延回路の遅延時間の精度をさらに高め、該製造工程の歩留まりを向上させることができる。
【００３４】
本発明の光遅延回路は上述の実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
例えば、従来の光遅延線で行われているように、複数の光遅延回路を並列に接続して光遅延回路アレイとすることができる。
また、以上説明した光遅延回路は小型であるので、該光遅延回路を光スイッチ、光カプラ、光スプリッタなどと組み合わせれば、光ＡＴＭスイッチなどの光モジュールを小型化し、しかも高密度に実装することができる。
【００３５】
次に、本発明を実施例と比較例との比較によって、さらに具体的に説明する。
伝送速度１６０Ｇｂｐｓで４２４ビットの信号を伝達するときに必要な光遅延回路を石英ガラスの光導波路基板１から製造し、その寸法について考察した。この光遅延回路では光導波路の長さを５４．３ｃｍとし、また、周回部４におけるコア２の間隔を８５μｍとした。また、コア２の曲げ半径ｒを８ｍｍとした。
コア２を形成するためのフェムト秒レーザ光２０としては、波長８００ｎｍ、パルス幅１７０ｆｓ、繰り返し周波数２００ｋＨｚ、平均出力７８０ｍＷのものを用いた。
【００３６】
図１に示す本発明の光遅延回路では、光導波路のコア２の周回部４を１０周分必要とし、光遅延回路の寸法は、１．８ｃｍ×１．８ｃｍとなった。
それに対して、図５に示す比較例の光遅延回路では、入力側コア１０２ａに３周分、出力側コア１０２ｂに３周分必要とし、光遅延回路の寸法は、１．７ｃｍ×３．３ｃｍとなった。
この例から明らかなように、本発明の光遅延回路によれば、比較例のものに比して、寸法をおよそ半分とすることができ、著しく小型化されたものとなる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光路長の短い光遅延回路を、従来に比して小型化でき、かつ、高い精度のものを容易に量産することができる。小型化された光遅延回路を用いることにより、光モジュールの高密度化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光遅延回路の一例を示す平面図および側面図である。
【図２】本発明の光遅延回路の他の実施の形態を説明する平面図および側面図である。
【図３】本発明の光遅延回路の製造方法の一例を説明する斜視図である。
【図４】本発明の光遅延回路に用いられる光導波路の部分構造の一例を示す斜視図である。
【図５】従来の光遅延回路の一例を示す概略平面図である。
【図６】従来の光遅延回路に用いられる光導波路の部分構造の一例を示す斜視図である。
【図７】従来の光遅延回路の他の例を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１…光導波路基板、２…コア、３…クラッド、４…周回部、５ａ…入力部、５ｂ…出力部、２０…フェムト秒レーザ光。

Claims

光導波路を用いた光遅延回路であって、該光導波路のコアは一方向に周回している周回部と、該周回部の両端に接続されている入力部および出力部とを有し、かつ前記コアは互いに交差することなく滑らかに連続して形成されており、かつ前記周回部において三次元的に前記コアの深さが変化していることを特徴とする光遅延回路。
前記コアは、コアの深さによらず周回部の半径が一定であることを特徴とする請求項１に記載の光遅延回路。
ガラス材料の所定の部位にフェムト秒レーザ光を集光照射して該照射部位の屈折率を変化させることにより、該ガラス材料の内部に光導波路を形成し、かつ該光導波路のコアは一方向に周回している周回部と、該周回部の両端に接続されている入力部および出力部とを有し、かつ前記コアは互いに交差することなく滑らかに連続して形成されており、かつ前記周回部において三次元的に前記コアの深さが変化しているものであることを特徴とする光遅延回路の製造方法。
前記コアは、コアの深さによらず周回部の半径を一定とすることを特徴とする請求項３に記載の光遅延回路の製造方法。
フェムト秒レーザ光を複数回集光照射することにより、所定の光路長を有する光導波路を形成することを特徴とする請求項３または４に記載の光遅延回路の製造方法。
請求項１または２に記載の光遅延回路を備えていることを特徴とする光モジュール。