JP3800039B2

JP3800039B2 - 熱光学型光アテネータ

Info

Publication number: JP3800039B2
Application number: JP2001177350A
Authority: JP
Inventors: 維識田村; 正浩大川; 延明北野; 尚登上塚
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: JP2002365597A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理、光通信システムに有用な、低損失で微調整可能な熱光学型光アテネータに係り、特に、環境の温度変化に強い熱光学型光アテネータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長多重光信号伝送には光増幅器が不可欠である。現在最も盛んに使用される光増幅器としてはエルビウムドープ光ファイバがある。しかし光増幅器は、波長により、増幅利得に特性を持つため、信号の安定、均一な伝送のためには利得を調整、平坦化する機構、例えば、光アテネータがシステム中に必要となる。
【０００３】
光アテネータは、ＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing)フィルタによって波長ごとに分けられた信号を、それぞれ独立に強度調整するもので、熱光学型、機械型、磁気光学型などさまざまな方式がある。特に、熱光学型光アテネータは、可動部分がないため高い信頼性を期待できる。
【０００４】
図２に示すような従来の熱光学型光アテネータ３０は、石英基板３１上にクラッド層３２を形成し、そのクラッド層３２にコアとなる光導波路３３を形成して光回路とし、この光導波路３３上に金属薄膜ヒータ３４ａ，３４ｂを形成したものである。コアとなる光導波路３３は、オーバクラッド層３２ｕで覆われている。光導波路３３の一端が入力ポート３３ｉであり、光導波路３３の他端が出力ポート３３ｏである。
【０００５】
コアとなる光導波路３３は石英系の材料からなり、ＴｉあるいはＧｅが添加されている。クラッド層３２は石英系の材料からなり、純粋ＳｉＯ₂ あるいはＢ及びＰが添加されている。コアとクラッド層３２の屈折率差は０．３％である。光導波路３３は、Ｙ分岐部３５、アーム３６ａ，３６ｂ、Ｙ結合部３７からなる対称マッハツェンダ干渉計回路とし、左右対称の形をしている。
【０００６】
分岐された二つのアーム３６ａ，３６ｂ上には、オーバクラッド層３２ｕをはさみ、幅が２０〜５０μｍの一定値、光の伝搬方向に平行に所定長さを持つ直線状の金属薄膜ヒータ３４ａ，３４ｂが形成されている。各金属薄膜ヒータ３４ａ，３４ｂの両端には、外部電源との接続用電極３８が形成されている。
【０００７】
従来の熱光学型光アテネータ３０では、ヒータ３４ａ，３４ｂが両方ともＯＦＦの場合、入力光ｌｉはＹ分岐部３５で約３ｄＢずつ分岐され、アーム３６ａ，３６ｂを通過した後、Ｙ結合部３７で再び結合する。Ｙ結合部３７で合流する光に位相差がないため、光の出力が理論的に無損失となり、比較的波長依存性のない出力を得ることが出来る。
【０００８】
一方のヒータ３４ａがＯＮされている場合、光導波路３３のアーム３６ａが加熱され、加熱されたアーム３６ａの屈折率が熱光学効果によって変化する。このとき、加熱されたアーム３６ａを通過する光ｌａは、加熱されない側のアーム３６ｂを通過する光ｌｂに対して位相ずれを生じる。Ｙ結合部３７に入射する光ｌａは、奇モードに近づき、Ｙ結合部３７で光を放射するようになる。すなわち、ヒータ３４ａの加熱温度の調整により、出力光ｌｏの強度を調整することが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の熱光学型光アテネータ３０は、その構成要素の金属薄膜ヒータ３４ａ，３４ｂの抵抗値が、ヒータ３４ａ，３４ｂに流れる電流による温度上昇で変化するので、安定したアテネーション（消光比）を得るために定電力制御回路が必要であるという問題がある。
【００１０】
特に環境温度が変化した場合、温度によってヒータ３４ａ，３４ｂの抵抗値が異なるために、同一電流による温度上昇（電力値）が変化し、光のアテネーションに差異を生じるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、環境温度変化に強く、しかも電流のみで制御できる熱光学型光アテネータを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、石英基板上に、入力される光を分岐させ再結合させるマッハツェンダ回路を形成して光回路とし、そのマッハツェンダ回路に形成したヒータの通電により、入力される光を調整して出力する熱光学型光アテネータにおいて、上記ヒータを、抵抗値の温度係数の符号が互いに異なり、且つある温度における抵抗値が互いに等しい第１ヒータと第２ヒータとを電気的に直列接続して構成した熱光学型光アテネータである。
【００１３】
請求項２の発明は、入力される光の波長が１．３μｍ〜１．６μｍであり、消光比が２０ｄＢ以上である請求項１記載の熱光学型光アテネータである。
【００１４】
請求項３の発明は、上記第１ヒータと第２ヒータは、抵抗値の温度係数の絶対値が−１００℃から４００℃の温度範囲で互いにほぼ等しい請求項１または２記載の熱光学型光アテネータである。
【００１５】
請求項４の発明は、上記第１ヒータまたは第２ヒータは、ＴａＮからなる金属薄膜ヒータである請求項１〜３いずれかに記載の熱光学型光アテネータである。
【００１６】
請求項５の発明は、上記第１ヒータと第２ヒータは、抵抗値が−５℃から７０℃の範囲のある温度で互いに等しくなる請求項１〜４いずれかに記載の熱光学型光アテネータである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１８】
図１は、本発明の好適実施の形態である熱光学型光アテネータの斜視図を示したものである。
【００１９】
図１に示すように、本発明の熱光学型光アテネータ１は、入力光Ｌｉの強度を調整して出力光Ｌｏとして出力するものであり、石英基板２上にクラッド層３を形成し、そのクラッド層３にコアとなる光導波路４を形成して光回路としたものである。コアとなる光導波路４は、オーバクラッド層３ｕで覆われている。光導波路４の一端が入力ポート４ｉであり、光導波路４の他端が出力ポート４ｏである。この熱光学型光アテネータ１は、入力光Ｌｉの波長が１．３μｍ〜１．６μｍであり、消光比が２０ｄＢ以上である。
【００２０】
コアとなる光導波路４は石英系の材料、例えば、ＴｉあるいはＧｅが添加されたＳｉＯ₂ からなる。クラッド層３は石英系の材料、例えば、純粋ＳｉＯ₂ あるいはＢ及びＰが添加されたＳｉＯ₂ からなる。コアとクラッド層３の屈折率差は０．３％である。
【００２１】
光導波路４は、入力光Ｌｉを分岐光Ｌａ，Ｌｂに分岐するＹ分岐部５と、分岐光Ｌａ，Ｌｂがそれぞれ導かれるアーム６ａ，６ｂと、分岐光Ｌａ，Ｌｂが結合するＹ結合部７とからなる１×１の対称型マッハツェンダ干渉計回路Ｃとし、左右対称の形をしている。Ｙ分岐部５またはＹ結合部７の各先端部間のギャップｇは、約１００μｍである。これは、アーム６ａ，６ｂ間のギャップｇでもある。
【００２２】
コアの高さは入力側の光導波路、出力側の光導波路共に８μｍである。コア幅はシングルモード条件を崩さないように設定しており、Ｙ分岐部５、Ｙ結合部７を除いて８μｍである。
【００２３】
さて、本発明の熱光学型光アテネータ１では、マッハツェンダ干渉計回路ＣのＹ分岐部５とＹ結合部７間に挟まれた各アーム６ａ，６ｂ上に、オーバークラッド層３ｕを介して各アーム６ａ，６ｂとそれぞれ対向するように、直列２段に分割されたコ字状の第１ヒータ８ａとコ字状の第２ヒータ９ａ、直列２段に分割された逆コ字状の第１ヒータ８ｂと逆コ字状の第２ヒータ９ｂがそれぞれ形成されている。第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａは、第１ヒータ８ｂと第２ヒータ９ｂと左右対称となるように形成されている。
【００２４】
第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａは、抵抗値の温度係数の符号が互いに異なり、２５℃での抵抗値が互いに等しくなるようにしている。第１ヒータ８ａとしては、例えば、抵抗値の温度係数が正であるＴａＮからなる金属薄膜ヒータを使用している。この金属薄膜ヒータを形成するには、オーバークラッド層３ｕ上にヒータ抵抗としての金属薄膜パターンを堆積させればよい。第２ヒータ９ａとしては、例えば、抵抗値の温度係数が負である多結晶Ｓｉからなる薄膜状のサーミスタを使用している。第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａとは、電気的に直列接続されている。
【００２５】
これら第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａとしては、例えば、抵抗値の温度係数の絶対値が−１００℃から４００℃の温度範囲で互いにほぼ等しいものを用いている。第１ヒータ８ａとして多結晶Ｓｉからなる薄膜状のサーミスタを、第２ヒータ９ａとしてＴａＮからなる金属薄膜ヒータを使用してもよい。上述した第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａに関する説明は、第１ヒータ８ｂと第２ヒータ９ｂについても同様である。
【００２６】
第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａ上には、各端部を除き、ＣＶＤ(Chemical Vapour Deposition)法により、石英ガラス絶縁膜が約２μｍ堆積されている。第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａの各端部上には、第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａを電気的に直列接続すべく、コンタクトホール１０ａ〜ｃが形成されている。各コンタクトホール１０ａ〜ｃには、タンタル、白金、金を順番に堆積し、リフトオフによって電極パターンを形成し、ヒータ接続用電極１１ａ〜ｄとしている。各コンタクトホール１０ａ〜ｃのヒータ接続用電極１１ａ〜ｄ以外の部分は、外部電源との接続用電極１２ａ〜ｃとなる。電極パターンとヒータパターンはコンタクトホール１０ａ〜ｃの空けられた部分で接続されている。
【００２７】
こうして第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａは、コンタクトホール１０ａ〜ｃを接続する電極材料によって電気的に直列に接続される。第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａは電気的に直列に接続されていることにより、第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａに流れる電流は常に等しくなる。その結果、第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａの抵抗値の和は電流のみで制御できる。
【００２８】
第１ヒータ８ｂと第２ヒータ９ｂ側にも、コンタクトホール１０ａ〜ｃ、ヒータ接続用電極１１ａ〜ｄ、接続用電極１２ａ〜ｃとそれぞれ対称となるように、コンタクトホール１３ａ〜ｃ、ヒータ接続用電極１４ａ〜ｄ、接続用電極１５ａ〜ｃがそれぞれ形成されている。第１ヒータ８ｂと第２ヒータ９ｂも電気的に直列に接続されている。
【００２９】
本発明の作用を説明する。
【００３０】
第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａに一定電流を流してＯＮし、入力ポート４ｉに入力される入力光Ｌｉを調整して出力ポート４ｏから出力光Ｌｉとして出力する場合を説明する。このとき、第１ヒータ８ｂと第２ヒータ９ｂはＯＦＦされている。
【００３１】
入力光Ｌｉは、Ｙ分岐部５で３ｄＢずつ分岐され、アーム６ａを通る分岐光Ｌａとアーム６ｂを通る分岐光Ｌｂとなる。まず、分岐光Ｌａの位相は、第１ヒータ８ａが通電されているので、第１ヒータ８ａの抵抗値に応じた加熱温度により、分岐光Ｌｂの位相に対してずれる。
【００３２】
このとき、第１ヒータ８ａの抵抗値は常に一定であるとは言えない。第１ヒータ８ａの温度は、第１ヒータ８ａに流れる電流によって上昇したり、使用時における環境温度によって変化したりするからである。
【００３３】
本発明では、第１ヒータ８ａの温度が２５℃以上に上がってその抵抗値が大きくなる場合、第２ヒータ８ａの抵抗値がその分だけ小さくなる。第１ヒータ８ａの温度が２５℃以下に上がってその抵抗値が小さくなる場合には、第２ヒータ８ａの抵抗値がその分だけ大きくなる。すなわち、ヒータ全体の抵抗値は温度によらず、常に２５℃における第１ヒータ８ａの抵抗値と第２ヒータ９ａの抵抗値との和に等しい。
【００３４】
分岐光Ｌａの位相は分岐光Ｌｂの位相に対し、第１ヒータ７ａと第２ヒータ８ａに流れる一定電流に応じて常に一定量だけずれるので、本発明の熱光学型光アテネータ１は、入力光Ｌｉの強度を一定電流に応じた所望量だけ正確に調整して出力光Ｌｏとして出力する。
【００３５】
このように本発明では、ヒータを２段に分け、第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａの抵抗値の温度係数を絶対値が互いに等しく、符号が互いに異なるようにしたことによって、ヒータ通電の時の第１ヒータ８ａの抵抗値の変化が第２ヒータ９ａの抵抗値の変化によってキャンセルされ、ヒータ全体としての抵抗値を、ヒータの温度によらず、一定にすることが出来、環境の温度変化による影響を著しく低減できる。これにより、環境温度変化に強い高安定な光アテネータを実現出来る。
【００３６】
ヒータ全体の抵抗値を一定にすることにより、両アーム６ａ，６ｂの温度差変化がヒータ電流に比例するようになり、アテネーション制御の電気回路を簡易にすることができる。従来のような定電力制御回路が不要なので、簡易な光アテネータを実現できる。
【００３７】
ヒータ全体の抵抗値が温度によらず一定なので、環境温度変化によらず、印加電流に対する電圧値はいつも同じである。すなわち、定電圧制御することもできる。定電圧制御が可能であることは、ヒータ加熱に対して特殊なフィードバック電気回路が不要になることであり、応答速度を速くすることができる。
【００３８】
本発明の熱光学型光アテネータ１を用いれば、波長多重伝送に有用な広い減衰量範囲にわたって使用可能な熱光学型光アテネータを実現することができる。
【００３９】
次に、本発明の熱光学型光アテネータ１の環境温度特性を、図２で説明した従来の熱光学型光アテネータ３０の環境温度特性と比較して説明する。
【００４０】
図３は、本発明の熱光学型光アテネータ１の１０ｄＢダウンのアテネーションレベルでの環境温度特性を、横軸を時間（ｓ）にとり、縦軸を消光比（ｄＢ）にとって示した図である。このとき、熱光学型光アテネータ１は、環境温度２５℃における消光比を１０ｄＢとすべく、第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａを流れる電流が３３．０８ｍＡの一定値となるように定電流制御されている。図３では、環境温度−５℃のときの環境温度特性曲線ａを太線で、環境温度２５℃のときの環境温度特性曲線ｂを実線で、環境温度７０℃のときの環境温度特性曲線ｃを一点鎖線で表わしている。
【００４１】
また、図４は、図２で説明した熱光学型光アテネータ３０の環境温度特性を図３と同様にして示した図である。このとき、熱光学型光アテネータ３０は、ヒータ３４ａを流れる電流が３３．０８ｍＡの一定値となるように定電流制御されている。図４では、環境温度−５℃のときの環境温度特性曲線ｄを太線で、環境温度２５℃のときの環境温度特性曲線ｅを実線で、環境温度７０℃のときの環境温度特性曲線ｆを一点鎖線でそれぞれ表わしている。
【００４２】
図３に示すように、本発明の熱光学型光アテネータ１は、どの環境温度においても、ほぼ所望の消光比１０ｄＢが得られる。環境温度−５℃から７０℃でのアテネーション変動は０．２ｄＢ以内と非常に小さく、石英導波路型で、定電流制御可能な環境温度特性の小さい光アテネータを実現できたことがわかる。これは、第１ヒータ８ａと第２ヒータ９ａの抵抗値が環境温度−５℃から７０℃の範囲のある温度で互いに等しくなることを意味している。
【００４３】
一方、図４に示すように、従来の熱光学型光アテネータ３０は、環境温度２５℃以外では所望の消光比１０ｄＢを得ることができない。環境温度７０℃では消光比が１２ｄＢとなり、環境温度−５℃では消光比が９．２ｄＢとなり、約３ｄＢもの大きな変動があることがわかる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のごとき優れた効果を発揮する。
【００４５】
（１）環境温度変化に強い高安定な光アテネータを実現できる。
【００４６】
（２）電流のみで制御できる簡易な光アテネータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施の形態を示す斜視図である。
【図２】従来の熱光学型アテネータの斜視図である。
【図３】図１に示した熱光学型アテネータの環境温度特性を示す図である。
【図４】従来の熱光学型アテネータの環境温度特性を示す図である。
【符号の説明】
１熱光学型光アテネータ
２石英基板
８ａ，８ｂ第１ヒータ
９ａ，９ｂ第２ヒータ
Ｃマッハツェンダ回路

Claims

石英基板上に、入力される光を分岐させ再結合させるマッハツェンダ回路を形成して光回路とし、そのマッハツェンダ回路に形成したヒータの通電により、入力される光を調整して出力する熱光学型光アテネータにおいて、上記ヒータを、抵抗値の温度係数の符号が互いに異なり、且つある温度における抵抗値が互いに等しい第１ヒータと第２ヒータとを電気的に直列接続して構成したことを特徴とする熱光学型光アテネータ。
入力される光の波長が１．３μｍ〜１．６μｍであり、消光比が２０ｄＢ以上である請求項１記載の熱光学型光アテネータ。
上記第１ヒータと第２ヒータは、抵抗値の温度係数の絶対値が−１００℃から４００℃の温度範囲で互いにほぼ等しい請求項１または２記載の熱光学型光アテネータ。
上記第１ヒータまたは第２ヒータは、ＴａＮからなる金属薄膜ヒータである請求項１〜３いずれかに記載の熱光学型光アテネータ。
上記第１ヒータと第２ヒータは、抵抗値が−５℃から７０℃の範囲のある温度で互いに等しくなる請求項１〜４いずれかに記載の熱光学型光アテネータ。