JP4012808B2

JP4012808B2 - 可変光減衰器

Info

Publication number: JP4012808B2
Application number: JP2002332871A
Authority: JP
Inventors: 二三夫小山; 達三浦
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: JP2004170464A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野等で使用される可変光減衰器に関し、とくに中空光導波路の中空部断面の形状変化を利用する可変光減衰器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野において複数の光ファイバを伝搬する光の強度を均一に揃える必要がある場合等において可変光減衰器が使用される。このような可変光減衰器では、磁気光学効果、マイクロマシンなどを利用して光ファイバ間での結合量を変えて減衰量を変化させている。
【０００３】
従来の磁気光学効果を利用した光減衰器はファラデー効果による偏光回転を利用し、偏光子を透過する光量を制御している。
また、マイクロマシンを利用した光減衰器では、光導波路間に遮蔽物を挿入したり（例えば、非特許文献１参照）、光ファイバと光ビームの位置を相対的に変化させる（例えば、特許文献１参照）などの方法により、減衰量を変化させている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１３１６２６号公報
【非特許文献１】
Ｃ．Ｒ．ギレス（Ｃ．Ｒ．Ｇｉｌｅｓ）、他５名、「ＩＥＥＥジャーナル・オブ・セレクテッド・トピックス・イン・クオンタム・エレクトロニクス（ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｅｌｅｃｔｅｄＴｏｐｉｃｓｉｎＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」、（米国）１９９９年、第５巻、第１号、ｐ．１８−２５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の可変光減衰器のうち、磁気光学効果によるものは、磁石が必要であり、消費電力も大きい。また、小型化が困難であり、他の光デバイスとの集積化に対応できない。
マイクロマシンを利用した可変光減衰器では、可動部材の機械的な移動量が数十ミクロン以上と大きいため、動作速度や信頼性の点から問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、このような問題点を解決し、消費電力が少なくて、構成が容易、小型化が可能で、外部からの減衰量の制御が容易である可変光減衰器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変光減衰器は、所定波長の光を伝搬する中空光導波路と、前記中空光導波路の入射端面に結合された入射光導波手段と、前記中空光導波路の出射端面に結合された出射光導波手段とからなっている。そして前記中空光導波路の中空部の光の伝搬方向に垂直な断面の形状を変化させる手段を具備している。これにより、前記中空光導波路から前記出射光導波手段に結合する光の強度を前記断面の形状変化によって制御できるよう構成されている。
【０００８】
前記中空光導波路の中空部は、平板状部材の表面に光の伝搬方向に沿って溝を形成した第１の基板と、平板状の第２の基板とを所定の間隔をもって平行に対向させ、その間隔を変化させるのが望ましい構成である。
【０００９】
前記中空部の内面には誘電体多層膜からなる反射層を設けることが望ましい。これによって前記中空部の内面の反射率を高くすることができ、伝搬損失を低減することができる。
【００１０】
前記断面の形状を変化させる手段としては、静電力、熱応力、電磁力、圧電素子による機械的圧力のいずれかを利用するのが好ましい。
【００１１】
前記入射光導波手段および前記出射光導波手段としては光ファイバを用いることができる。前記中空光導波路の入射端面と出射端面に入力光ファイバと出力光ファイバをそれぞれ配置する。前記中空部の間隔を変化させることにより、伝搬光の中空部内での強度分布を変化させ、前記出力光ファイバへの結合の度合いを変化させることができる。これにより、前記入力光ファイバから前記出力光ファイバへの光の結合量を変化させることができ、すなわち入力光に対する減衰量を制御できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の中空光導波路の断面を示す原理図である。各図で対応する部分は同じ符号を付して示す（以下同様）。２枚の基板１０、１２の間に中空部１４を設け、基板１０には凹状の溝部１６を形成する。またこの中空部１４の内表面は入射する光に対して高い反射率を有する反射面とする。この構造は、基板面に垂直な方向には内表面の反射面のはたらきによって光を閉じ込め、水平方向には溝の断面形状によって生じる等価屈折率差によって光を閉じ込める中空光導波路となる。
【００１３】
ここで、中空部１４が薄い場合（図１（ａ））、溝部１６とその両側の中空部１８の間の等価屈折率差が大きく、伝搬光３０は溝部１６付近に閉じ込められる。中空部１４が厚くなると（図１（ｂ））、上記の等価屈折率差が減少するため、伝搬光３２は水平方向に広がるようになる。また伝搬光の断面内での強度分布のピーク位置３４も中空部１４の厚さにより垂直方向に移動する。中空部１４が十分厚くなると、水平方向には光の閉じ込め効果がはたらかなくなり、いわゆるスラブ導波路と同様な光の伝搬状態となる。
【００１４】
この中空光導波路の出射端に光ファイバを接続し伝搬光を結合する場合、溝部１６に光が閉じ込められている場合に比べて水平方向に光が広がった場合は、光ファイバへの結合がし難くなる。すなわち中空部１４の厚みを変化させることにより、この中空光導波路と光ファイバの結合効率の変化を利用して可変光減衰器が構成できる。
【００１５】
上記原理に基づき、実際に可変光減衰器を構成した実施例についてつぎに説明する。
図２は本実施例の可変光減衰器に使用する中空光導波路を模式的に示した斜視図で、図３は中空光導波路を光の伝搬方向に垂直に切った断面図である。この中空導波路の構造をその作製手順に沿って説明する。
【００１６】
まず、ＧａＡｓ基板２０表面に２段の段差のある溝を形成する。初めに幅３０μｍのストライプ状の開口をもつマスクを基板表面に設け、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングにより、深さ４０μｍで、側壁が基板表面に対してほぼ垂直な溝を形成する。
【００１７】
次いで基板上のマスクを除去し、形成した溝を中心とし、この溝に平行で幅３００μｍのストライプ状開口をもつマスクを再度、形成する。このマスクを用いて２回目のエッチングにより基板表面から深さ２７μｍの溝を形成した。
【００１８】
以上により、ＧａＡｓ基板２０表面に幅３００μｍで深さ２７μｍの第１の溝２８が形成され、その中央に幅３０μｍで深さが第１の溝２８の表面から１３μｍの第２の溝２６が形成される。
【００１９】
つぎに形成した溝２６、２８の底面に誘電体多層膜２１を形成し、反射膜とする。ここでは、初めにＳｉＯ_２膜をＧａＡｓ基板表面に形成し、ついでＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２を対とする膜を５対積層した。各膜厚は光学膜厚が使用波長（１５５０ｎｍ）の１／４になるように設定する。
最後に、溝の長さが２ｍｍとなるようにＧａＡｓ基板２０を切断した。
【００２０】
第２のＧａＡｓ基板２２は板厚を薄く加工して可撓性を付与し、その表面に上記同様の膜構成の誘電体多層膜２３を形成する。このＧａＡｓ基板２２と溝２６、２８を形成したＧａＡｓ基板２０を対向させ、圧着することにより接合した。
【００２１】
以上により、図２に示すような２つのＧａＡｓ基板２０、２２の間に中空部２４を有する中空光導波路が形成できる。最後にＧａＡｓ基板２０の裏面、およびＧａＡｓ基板２２表面にＣｒ膜を介してＡｕ膜を成膜し、電極２７、２９を形成する。
【００２２】
上記中空導波路の電極２７、２９間に電圧Ｖを印加すると静電引力によりＧａＡｓ基板２２が図２に模式的に示すように変形する。この変形によって中空部２４の厚みが実効的に変化し、上述のように伝搬光の導波モードが変化する。
【００２３】
この中空光導波路の一端に単一モード光ファイバを結合して波長１５５０ｎｍの光を伝搬させ、他端から出射される光の近視野像をビジコンカメラによって観察した。
【００２４】
第１の溝２８部分の上下内壁間隔が約１３μｍ、第２の溝２６部分の間隔が約２６μｍの状態では、伝搬光は第２の溝部内にほぼ閉じ込められている。しかし、第１の溝２８、すなわち中空光導波路の厚みが大きくなるにつれ、伝搬光が第２の溝部２６の外側に広がってくる。第１の溝２８部分の間隔が２７μｍ程度になると伝搬光の強度分布は第２の溝２８部分の外側にも均一に近い状態で広がってくる。
【００２５】
入射光強度に対する出射光の減衰量（変化分）の測定結果を図４に示す。横軸はＧａＡｓ基板２２の垂直方向の変位である。１５μｍの変位に対して減衰量は約１５ｄＢ程度が得られた。
【００２６】
上記の場合、中空部の間隔は静電引力により変化させたが、その他の手段を用いてもよい。中空導波路を構成する２枚の基板間の一方を異なった熱膨張係数の薄膜で構成し、それを局所的に加熱することによっても変化させることができる。さらに中空導波路を構成する２枚の基板間の一方を磁性体で構成し，外部の電磁石によって磁界を変化させて，電磁力によって中空部の間隔を変化させることもできる。あるいは中空光導波路上に圧電素子を取り付け、圧電効果によって導波路に圧力を加えて変形させてもよい。
【００２７】
上記の実施例ではＧａＡｓ基板を用いて中空光導波路を構成したが、光導波路の構成材料はこれに限られない。所定の変形に耐える材料であれば、ＳｉやＩｎＰなどの半導体やガラス等の誘電体であってもよい。また、上記変形手段に対応して材料を選択することも必要である。反射膜もＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２の構成には限定されず、種々の材料を選択することができる。
【００２８】
本発明の可変光減衰器は、可動部が固体素子の一部分の変形であり、素子自身の移動は伴わないため、安定で信頼性が高い。また光減衰特性の入射光の偏光状態、波長、周囲温度に対する依存性が小さい特徴がある。さらに本発明の可変光減衰器は中空光導波路を複数配列してアレイ化したり、他の光デバイスと集積化することもできる。上記の実施形態では、入射光および出射光導波手段として光ファイバを使用したが、平板状の光導波路を集積して用いてもよい。この光導波路は必ずしも中空光導波路である必要はなく、コア／クラッド構造をもつ光導波路であってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明により、中空光導波路を用いて小型で消費電力の小さい可変光減衰器が提供できる。また本発明の可変光減衰器は他の光デバイスと集積化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可変光減衰器の動作原理を示す図である。
【図２】本発明の可変光減衰器に使用する中空光導波路を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の可変光減衰器に使用する中空光導波路の断面模式図である。
【図４】本発明の可変光減衰器の特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０、１２基板
１４、１８、２４中空部
１６溝部
２０、２２ＧａＡｓ基板
２１、２３誘電体多層膜
２６、２８溝
２７、２９電極
３０、３２伝搬光

Claims

所定波長の光を伝搬する中空光導波路と、前記中空光導波路の入射端面に結合された入射光導波手段と、前記中空光導波路の出射端面に結合された出射光導波手段とからなり、前記中空光導波路が、その中空部の光の伝搬方向に垂直な断面の形状を変化させる手段を具備し、前記中空光導波路から前記出射光導波手段に結合する光の強度を前記断面の形状変化によって制御できるよう構成されていることを特徴とする可変光減衰器。
前記中空光導波路の中空部は、平板状部材の表面に光の伝搬方向に沿って溝を形成した第１の基板と、第２の平板状基板とを所定の間隔をもって平行に対向させてなり、前記断面の形状を変化させる手段が、前記間隔を変化させる手段であることを特徴とする請求項１に記載の可変光減衰器。
前記中空部の内面に誘電体多層膜反射層を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の可変光減衰器。
前記断面の形状を変化させる手段が静電力である請求項１または２に記載の可変光減衰器。
前記断面の形状を変化させる手段が熱応力である請求項１または２に記載の可変光減衰器。
前記断面の形状を変化させる手段が電磁力である請求項１または２に記載の可変光減衰器。
前記断面の形状を変化させる手段が圧電素子による機械的圧力である請求項１または２に記載の可変光減衰器。