JP3835205B2

JP3835205B2 - 熱光学効果型光アテネータ

Info

Publication number: JP3835205B2
Application number: JP2001177351A
Authority: JP
Inventors: 維識田村; 正浩大川; 浩一丸; 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: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: JP2002365598A

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効果型光アテネータに係り、特に、温度分布を不要にして素子の小型化を図った熱光学効果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、熱光学効果型、機械型、磁気光学型などさまざまな方式がある。特に、熱光学効果型光アテネータは、可動部分がないため高い信頼性を期待できる。
【０００４】
図３に示すような従来の熱光学効果型光アテネータ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。アーム３６ａ，３６ｂ間ギャップｇは約１００μｍである。
【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】
従来の熱光学効果型光アテネータ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】
従来の熱光学効果型光アテネータ３０は、その構成要素であるマッハツェンダ回路のアーム３６ａ，３６ｂを加熱して、温度差を得る事によって光信号減衰動作をしている。
【００１０】
しかしながら、アーム３６ａ，３６ｂは同じ材料で形成されているので、アーム３６ａ，３６ｂに温度差を与えるためには、ヒータ３４ａ，３４ｂの消費電力を大きくする必要があり、温度効率が悪いという問題がある。
【００１１】
また、通常どちらかのアーム３６ａ，３６ｂの近傍に、ヒータ３４ａ，３４ｂとして金属薄膜の微細なパターンを堆積させるので、光回路に応力分布が生じる可能性があるという問題もある。光回路に応力分布を生む構造はＰＤＬの発生、また信頼性の問題を複雑化する。
【００１２】
二つのアーム３６ａ，３６ｂの温度差は特に断熱構造を有しなくても、各ヒータ３４ａ，３４ｂと各アーム３６ａ，３６ｂ間の距離に差をつけたり、アーム３６ａ，３６ｂ間のギャップｇを変えたりして付与することができるが、その距離によって必要な減衰量を得るヒータ３４ａ，３４ｂの駆動電力は著しく異なる。
【００１３】
図４は、従来の熱光学効果型光アテネータ３０の消光比２０ｄＢにおけるアーム間ギャップｇ（μｍ）に対する消費電力（Ｗ）と応答時間（ｍｓ）を示した図である。図４では、消費電力変化曲線をｘ、応答時間変化曲線をｙとしている。
【００１４】
図４に示すように、ギャップｇが１００μｍの場合、アーム３６ａ，３６ｂ間の距離が近いので、温度差を得るためにはどちらかのアーム３６ａ，３６ｂを強く加熱しなければならない。このとき、ヒータの消費電力は約０．２７Ｗも必要になる。応答時間は約９ｍｓである。
【００１５】
ギャップｇを広げるにつれてアーム３６ａ，３６ｂ間の距離が離れるので、温度差を得るために必要なヒータの消費電力は少なくなり、逆に応答時間は長くなる。ギャップｇが８００μｍの場合、ヒータの消費電力は約０．０９Ｗと少なくなるが、応答時間が約６３ｍｓと長くなる。しかもこの場合、素子全体が大きくなってしまうという問題がある。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、温度効率の良い絶対温度駆動であり、小型で回路全体に応力分布のない熱光学効果型光アテネータを提供することにある。
【００１７】
【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対称マッハツェンダ回路を少なくとも１段形成して光回路とし、各マッハツェンダ回路の二つのアームをヒータで加熱して光出力を調整する熱光学効果型光アテネータにおいて、上記二つのアームは、それぞれ屈折率の増減が温度に対して逆となる異なる材料で形成されていると共に、上記ヒータが上記石英基板の下面の全面に形成され、上記光回路の全体を加熱する熱光学効果型光アテネータである。
【００１９】
請求項２の発明は、上記二つのアームの光路長差が０となる温度が、動作環境の周囲温度以上である請求項１記載の熱光学効果型光アテネータである。
【００２０】
請求項３の発明は、上記二つのアームの一方が石英からなり、他方がシリコーン樹脂からなる請求項１または２に記載の熱光学効果型光アテネータである。
【００２１】
【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。
【００２２】
図１は、本発明の好適実施の形態である熱光学効果型光アテネータの斜視図を示したものである。
【００２３】
図１に示すように、本発明の熱光学効果型光アテネータ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１．５３μｍ〜１．６μｍであり、消光比が２０ｄＢ以上である。
【００２４】
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、光路長差付与部であるアーム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および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。
【００２５】
コアとなる光導波路４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。
【００２６】
さて、本発明の熱光学効果型光アテネータ１は、マッハツェンダ回路Ｃのアーム６ａを、例えばシリコーン樹脂で形成し、アーム６ｂを、例えばＴｉあるいはＧｅが添加されたＳｉＯ₂ （石英）で形成している。シリコーン樹脂は、素子温度８０℃における屈折率が石英と等しく、温度に対する屈折率の増減が石英と逆となる材料である。
【００２７】
アーム６ａの材料の選択としては、温度は高温側から低温側に流れる特性があるので、動作環境の周囲温度の影響を受けないようにするために、動作環境の周囲温度の条件（−５℃〜７０℃程度）の最高値より高温で石英からなるアーム６ｂと屈折率が等しくなるような材料を選ぶとよい。
【００２８】
すなわち、アーム６ａの材料としてシリコーン樹脂を、アーム６ｂの材料として石英を選び、素子を動作させる温度範囲の最小値を８０℃とすればよい。この場合、後述するように、熱光学効果型光アテネータ１の光出力量は８０℃で最大となり、８０℃より高温になるにつれてアーム６ａ，６ｂの屈折率差が大きくなるので、消光比（減衰量）がヒータ印加電力（温度）に応じて増加する。これにより、熱光学効果型光アテネータ１を動作環境の周囲温度の条件に左右されることなく使用することができる。
【００２９】
要するに、コアとなる光導波路４は、アーム６ａを除き、石英系の材料、例えば、ＴｉあるいはＧｅが添加されたＳｉＯ₂ からなっている。このアーム６ａをクラッド層３に形成する際には、Ｙ分岐部５の分岐地点５ａとＹ結合部７の結合地点７ａから充分離れた箇所となるように注意する。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。アーム６ａを除いたコアとクラッド層３の屈折率差は０．３％である。
【００３０】
石英基板２の下面２ｄの全面には、素子全体の温度分布が均一となるように薄膜状のヒータ８が貼り付けられている。ヒータ８としては、熱伝導性が良く、また石英ガラスに応力等がかからないように、例えば、石英との熱の線膨張係数差の比較的小さい窒化アルミニウムを材料としている。ヒータ８下面の端部には、外部電源との接続用電極９ａ，９ｂが形成されている。
【００３１】
ここで両アーム９ａ，９ｂの光路長差が０になるときの温度を中心温度と呼ぶことにする。本実施の形態における中心温度は８０℃である。光の減衰量、すなわち光路長差は、中心温度からの温度差に比例する。
【００３２】
本発明の熱光学効果型光アテネータ１では、中心温度からの温度差を正確に測定するために、オーバクラッド層３ｕ上面のアーム６ａ，６ｂ間に測温体抵抗１０を設けている。この測温体抵抗１０からの信号に基づき、別に設けた制御手段により、素子全体の温度をフィードバック制御して光減衰量を調整している。
【００３３】
本発明の作用を説明する。
【００３４】
図２は、図１に示した熱光学効果型光アテネータの特性曲線ａを、横軸をヒータ印加電力（ｍＷ）にとり、縦軸を消光比（ｄＢ）にとって示した図である。
【００３５】
図１および図２に示すように、まず、ヒータ８を通電し、熱光学効果型光アテネータ１の素子全体の温度を動作環境の周囲温度以上、例えば、８０℃均一に保つ。このときのヒータ印加電力は約８０ｍＷである。
【００３６】
素子を動作させる温度範囲の最小値を、約８０℃とする。このとき、アーム６ａ，６ｂの屈折率は等しいので、入力ポート４ｉから入力される入力光は、出力ポート４ｏから出力光としてそのまま出力され、光出力量が最大となる。消光比（光減衰量）は０ｄＢである。このようにすると、熱光学効果型光アテネータ１を動作環境の周囲温度の条件に左右されることなく使用することができる。
【００３７】
ヒータ８の印加電力を徐々に増加させ、素子全体の温度を８０℃から徐々に上げる。素子全体が８０℃より高温になるにつれてアーム６ａ，６ｂの屈折率差が大きくなるので、消光比が素子全体の温度の絶対量に応じて増加する。このとき、入力光Ｌｉは特性曲線ａに応じて強度が調整された出力光Ｌｏとなる。特性曲線ａは、ヒータ印加電力が約１０４ｍＷで消光比が約３０ｄＢの極大値となるので、熱光学効果型光アテネータ１を動作させるヒータ８の印加電力範囲は、約８０ｍＷ〜約１０４ｍＷである。
【００３８】
ここで、本発明と従来例とを、それぞれのアーム間ギャップｇが１００μｍの場合について比較してみる。
【００３９】
本発明の熱光学効果型光アテネータ１は、図２に示すように、消光比２０ｄＢにおけるヒータ印加電力が約１０２ｍＷと非常に少ない。従来の熱光学効果型光アテネータ３０は、図４に示すように、ヒータ消費電力が約０．２７Ｗと本発明の２倍以上である。また、従来の光アテネータ３０では、アーム間ギャップｇを約７００μｍにすれば、ヒータ消費電力が本発明とほぼ同じとなるが、この場合素子全体が非常に大きくなってしまう。
【００４０】
このように本発明では、光導波路４を構成する光回路であるマッハツェンダ回路Ｃの二つのアーム６ａ，６ｂを、それぞれ屈折率が温度によって互いに逆向きに変化する異なる材料で形成しているので、二つのアーム６ａ，６ｂの双方がヒータ８で加熱されたとき、光路長に差が生じる。アーム６ａ，６ｂに互いに異なる材料を用いた事によって、等しい材料を加えた場合に比べ、同じ加熱温度に対するアーム６ａ，６ｂの光路長差変化を大きくできる。これにより、石英導波路型で、アテネーションによって温度効率の良い絶対温度駆動の光アテネータを実現できる。
【００４１】
温度の絶対値で制御することにより、従来例のような応力を増加させる金属薄膜ヒータ３４ａ．３４ｂが不要となるので、光回路に応力分布が生じることがない。温度差をつける必要がないので、素子全体をヒータ８で加熱することができる。
【００４２】
また、二つの光路長差付与部であるアーム６ａ，６ｂの距離を広げる必要がなく、素子サイズを小形化でき、光回路全体に応力分布のない光アテネータを実現できる。
【００４３】
本発明の熱光学効果型光アテネータ１を用いることによって光波長多重伝送に有用な広い波長帯域にわたって使用することが可能となる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、石英基板２上に、対称マッハツェンダ回路Ｃを１段形成して光回路とした例で説明したが、石英基板２上に、対称マッハツェンダ回路Ｃを２段、３段と複数段形成して光回路としてもよい。アーム６ｂをシリコーン樹脂で形成し、アーム６ａを石英で形成してもよい。
【００４５】
【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。
【００４６】
（１）温度効率の良い絶対温度駆動の光アテネータを実現できる。
【００４７】
（２）小型で回路全体に応力分布のない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】図１に示した熱光学効果型光アテネータの特性を示す図である。
【図３】従来の熱光学効果型光アテネータの斜視図である。
【図４】図３に示した熱光学効果型光アテネータの消光比２０ｄＢにおけるアーム間ギャップに対する消費電力と応答時間を示す図である。
【符号の説明】
１熱光学効果型光アテネータ
２石英基板
６ａ，６ｂアーム
８ヒータ
Ｃ対称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対称マッハツェンダ回路を少なくとも１段形成して光回路とし、各マッハツェンダ回路の二つのアームをヒータで加熱して光出力を調整する熱光学効果型光アテネータにおいて、上記二つのアームは、それぞれ屈折率の増減が温度に対して逆となる異なる材料で形成されていると共に、上記ヒータが上記石英基板の下面の全面に形成され、上記光回路の全体を加熱することを特徴とする熱光学効果型光アテネータ。
上記二つのアームの光路長差が０となる温度が、動作環境の周囲温度以上である請求項１記載の熱光学効果型光アテネータ。
上記二つのアームの一方が石英からなり、他方がシリコーン樹脂からなる請求項１または２に記載の熱光学効果型光アテネータ。