JP4385983B2 - 光可変減衰器 - Google Patents

Description

この発明は、光通信システム等において光強度を調節するために用いる光可変減衰器に関するものである。

FTTH (Fiber To The Home)等によるブロードバンドアクセスの普及に伴って、幹線系から加入者系に至る光通信システムにおいて、装置に組み込まれて信号光強度の調整などに用いられる光可変減衰器においては、量産に適する安価なものが望まれている。
従来、半導体製造技術によって半導体基板上に作製する光可変減衰器が、特許文献１に開示されている。この従来の光可変減衰器は、２つの光導波路が狭ギャップを隔てて対向配置されて半導体基板上に固定され、静電力または熱応力によって光導波路の一端の少なくとも一方を変位させ、光結合効率を制御するようにしたものである。

特開２００４−３１７６４２号公報

特許文献１に開示された従来の光可変減衰器は、駆動手段で駆動力を与えて対向する第一導波路の他端と第二導波路の他端の位置をずらすことにより、入力光を減衰させて出力光として出力するようにしているので、大きな減衰を与えるようにするほど大きな変位に起因する応力が光導波路にかかり、平均寿命が低下してしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光可変減衰器において、大きな減衰を与えるようにしても、平均寿命が低下しないものを得ることを目的としている。

この発明に係る光可変減衰器は、出射端面を有する入力用光導波路と、前記入力用光導波路の出射端面からの放射光が入射する入射端面を有する出力用光導波路と、前記入力用光導波路の出射端面と前記出力用光導波路の入射端面との相対関係を変化させる可変手段とを備え、前記可変手段が前記相対関係を変化させていないときの前記出射端面と前記入射端面とのなす角度は、この角度を前記可変手段により増加させると前記出力用光導波路への前記放射光の結合量が増加するように設定されたものである。

この発明は、光可変減衰器において、大きな減衰を与えるようにしても、平均寿命が低下しないものを得ることできる。

以下、各実施の形態において「上」または「下」に言及する場合は、絶対的な上下を意味するものではなく、便宜上、図に示された姿勢における上や下を意味するものとする。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による光可変減衰器は、ベース体としてのポリマーシート内に溝の空隙を介して線状に延びる光導波路と、空隙に対応する位置に開口を有するポリマーシートの押さえ板と、可変手段としてのアクチュエータとを備え、アクチュエータが開口を通じてポリマーシートを押圧して変形させることにより、空隙における放射光の結合量が増加するようにしたので、大きな減衰を与えるようにしても、平均寿命が低下しないものを得ることできる。

図１は、この発明の実施の形態１による光可変減衰器を示す構成図である。ただし、図１は１つの光可変減衰器のみを取り出し、拡大して示したものであり、実際の光可変減衰器は、このような光可変減衰器が平面内に並列的に多数配列されたものである。

図１において、ベース体としてのポリマーシート１は押さえ板２ａ、２ｂで挟み込まれている。ポリマーシート１の内部には、周囲のポリマーシート１よりも屈折率が高いコア３ａ、３ｂが図中左下から右上に延びるようにして入力用光導波路と出力用光導波路が構成されており、その間に溝４が形成されている。光信号は、図１における左下側から入力光５としてコア３ａに入力し、溝４の空隙を介して入力光５の一部がコア３ｂに入射して右上側から減衰した出力光６として出力する。なお、押さえ板２ａ、２ｂには溝４を避けるように円形の開口２ｃ、２ｄが設けられている。溝４が形成されていない側の押さえ板２ｂに設けられた開口２ｄを通じて下からポリマーシート１を押し上げることによって溝４に対向するコア３ａ、３ｂ間の結合効率を変えることで光可変減衰器として機能することになる。なお、図１では、駆動機構の図示が省略されている。

図２〜図４は、この発明の実施の形態１による光可変減衰器を示す構成図であり、図１のコア３ａ、３ｂの中心軸に沿って切断した断面を示す。
図２において、８はポリマーシート１を押し上げるためのボールであり、９はピエゾなどのアクチュエータであり、これらにより可変手段が構成される。そして、開口２ｃ、２ｄで溝４を避けるようにして押さえ板２ａ，２ｂでポリマーシート１を挟み込んだ構造をしている。
図３において、ポリマーシート１上に溝４の側面として対向するようにコア３ａの出射端面４ａと、コア３ｂの入射端面４ｂとが形成されており、光信号は図２における左側から入力光５として入力し、コア３ａを伝搬し、溝４で一旦中間放射光７として空間に出射する。中間放射光７はガウスビームとして広がり、その一部がコア３ｂに入射し、出力光６として出力する。

入力光５や出力光６において出射端面４ａと入射端面４ｂにおけるフレネル反射によって反射戻り光が大きくなることを避けるために、溝４の両端面の法線とコアとのなす角度はθ_１となっており、両端面は平行ではないように形成されている。ここで、コア３ａ、３ｂの屈折率をｎ_１、クラッドとしてのポリマーシート１の屈折率をｎ_２とし、空気の屈折率を１とみなすと、スネルの法則により、コア３ａからの中間放射光７は、コア３ａの中心軸に対して（式１）で表される角度θ_２で出射することになる。
θ_２＝sin^−１(ｎ_１・sinθ_１)−θ_１ （式１）
光線の軌跡は可逆であることから、コア３ｂ側への結合効率を最大にするには（式１）で算出された入射角絶対値で入射させればよい。すなわち、図３の溝４近傍の拡大図に示す光軸Ａ方向に入射させることで最大の結合効率を得られる。換言すれば、光軸Ｂに沿って進む中間出射光７は角度２×θ_２ずれていることになる。

次に、動作について説明する。
アクチュエータ９が非動作の場合、ポリマーシート１の弾性によってコア３ａ，３ｂが直線的に配置されている。アクチュエータ９によってボール８を上に移動させると溝４近傍のポリマーシート１を押し上げることになる。ポリマーが塑性変形しない条件の範囲内では前記θ_１とθ_２の角度関係は維持されることになり、押し上げによる導波路の水平に対する角度θ_３（初期値はゼロ）が大きくなっていくと、（式２）に示す角度ずれdθが生じることになる。

dθ＝２×θ_２−２×θ_３ （式２）

従って、（式２）より、θ_３がθ_２にほぼ一致する状態にまでアクチュエータ９を駆動することで結合効率を最大にして減衰量を最小にすることができる。図４に途中段階でのポリマーシート１の屈曲変動を示す。θ_３が大きくになるにしたがって、（式２）に示された角度ずれdθが小さくなり、中間出射光７がコア３ｂにより多く結合していくことになる。

図５に、屈折率１．５３のポリイミドフィルムにモードフィールド径９μｍの矩形導波路を形成し、溝幅３０μｍ、θ_１を１９度に溝加工した場合のθ_３に対する溝での減衰量の関係の計算結果を示す。空気の屈折率を１とした場合に得られるθ_２の値は（式１）より約１１度であり、（式２）の関係が成り立っていることがわかる。このときの溝での最小減衰量は０．７ｄＢであり、光可変減衰器としての組立精度等を考慮しても２ｄＢ以下の挿入損失が得られる。また、角度θ_３が初期値のゼロ、すなわち、変形していない場合に、溝での最大減衰量として５５ｄＢが得られる。このように、減衰量が大きいほど、シートの変形量が小さく、応力に起因する平均寿命の低下が少なくなるという特徴がある。

光可変減衰特性の他に重要となるのがPDL (Polarization Dependent Loss)である。θ_１を大きくすれば大きな減衰量が得られるが、一般に屈折率が異なる境界面に対して光を入射させる場合、入射角が大きくなればなるほどＰ偏光とＳ偏光との透過率の差が大きくなるため、PDLが生じる。図６に、図５と同じ計算条件における、θ_１に対するPDLの関係の計算結果を示す。一般的な光受動部品に要求されているPDLとして０．２ｄＢ以下を満足するためにはθ_１を２０度以下にすれば良い。

以上のように、この発明の実施の形態１による光可変減衰器においては、ポリマーシート内に溝の空隙を介して線状に延びる光導波路と、溝に対応する位置に開口を有するポリマーシートの押さえ板と、アクチュエータ等を備え、アクチュエータが開口を通じてポリマーシートを押圧して変形させるほど、溝の空隙における放射光の結合効率が増加するようにしている。これにより、大きな減衰を与えるようにしても、平均寿命が低下しないものを得ることできる。
また、ポリマーシート内に線状に延びる光導波路に溝を形成して空隙として構成しているので、入力用光導波路の出射端面と出力用光導波路の入射端面との精密な位置調整のような手間のかかる組立工程を必要とせず、安価な有機ポリマー材料を用いて、ディップコーティングのような容易な製造方法で、大量に安価に製造することができ、集積化にも好適である。これにより、量産に適する簡単な構成で、安価なものを得ることできる。

なお、上記の説明では、可変手段としてアクチュエータとボールを用いる場合を示したが、駆動機構がこれに限られるものではなく、例えば静電力や熱応力を用いることも可能である。また、押さえ板の開口を通じて溝の裏側からポリマーシートを押圧する場合を示したが、ポリマーシートの保持や駆動力のかけ方や変形のさせ方がこれに限られるものではない。また、ベース体としてポリイミドフィルムといった有機ポリマーシートを用いる場合を示したが、材料がこれに限られるものではなく、屈折率分布などで光導波路を形成でき、適切に変形されるものであればどのようなものを用いても良い。要するに、所望の性能や形状などが得られるように、機構や材料などを適宜選択して構成するようにすれば良い。
また、溝の空隙を介する放射光の結合量を制御するようにしたが、溝は空隙でなく、屈折率の異なる材料が充填されるように構成することもでき、また、溝形状に限られることもなく、例えば穴形状としても良い。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による光可変減衰器は、ポリマーシートよりも高い屈折率を有し、溝の空隙における放射光のうちの光導波路に結合されない迷光を閉じ込める光学バッファ層をポリマーシートと押さえ板との間に設けたものである。

図７は、この発明の実施の形態２による光可変減衰器を示す構成図である。
図７において、１〜９は実施の形態１による図２に示すものと同じであり、１０はポリマーシート１よりも屈折率が高い光学バッファ層である。

次に、動作について説明する。
光可変減衰器としての動作は実施の形態１と同様であるが、実施の形態１による光可変減衰器の場合、比較的大きな角度がついてコア３ｂの入射端面４ｂに中間放射光７が入射し、コア３ｂに結合しなかった迷光が押さえ板２ｂとの境界面で反射して再びコア３ｂに結合すると、所望の減衰量が得られないだけでなく、時間遅延を有した信号成分となり、信号品質の低下を引き起こす場合が考えられる。一方、図７に示す実施の形態２による光可変減衰器においては、光学バッファ層１０があることによって迷光が光学バッファ層１０に閉じ込められるため、出力光６に結合しないようにすることで、さらに精度の高い減衰量制御が可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態２による光可変減衰器においては、ポリマーシートよりも高い屈折率を有し、溝の空隙における放射光のうちの光導波路に結合されない迷光を閉じ込める光学バッファ層をポリマーシートと押さえ板との間に設けることにより、迷光が出力光に結合しないようにでき、さらに精度の高い減衰量制御が可能となるという効果を得ることができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３による光可変減衰器は、溝の空隙における放射光のうちの光導波路に結合されない迷光を吸収する光学吸収層をポリマーシートと押さえ板との間に設けたものである。

図８は、この発明の実施の形態３による光可変減衰器を示す構成図である。
図８において、１〜９は実施の形態１による図２に示すものと同じであり、１１は吸収係数の高い光学吸収層である。

次に、動作について説明する。
光可変減衰器としての動作は実施の形態１と同様であるが、実施の形態１による光可変減衰器の場合、比較的大きな角度がついてコア３ｂの入射端面４ｂに中間放射光７が入射し、コア３ｂに結合しなかった迷光が押さえ板２ｂとの境界面で反射して再びコア３ｂに結合すると、所望の減衰量が得られないだけでなく、時間遅延を有した信号成分となり、信号品質の低下を引き起こす場合が考えられる。一方、図８に示す実施の形態３による光可変減衰器においては、光学吸収層１１があることによって迷光が光学吸収層１１を伝搬し、不要な迷光を減衰させることができるため、出力光６に結合しないようにすることで、さらに精度の高い減衰量制御が可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態３による光可変減衰器においては、溝の空隙における放射光のうちの光導波路に結合されない迷光を吸収する光学吸収層をポリマーシートと押さえ板との間に設けることにより、迷光が出力光に結合しないようにでき、さらに精度の高い減衰量制御が可能となるという効果を得ることができる。

この発明の実施の形態１による光可変減衰器を示す構成図 この発明の実施の形態１による光可変減衰器を示す構成図 この発明の実施の形態１による光可変減衰器を示す構成図 この発明の実施の形態１による光可変減衰器を示す構成図 この発明の実施の形態１による光可変減衰器を説明するための説明図 この発明の実施の形態１による光可変減衰器を説明するための説明図 この発明の実施の形態２による光可変減衰器を示す構成図 この発明の実施の形態３による光可変減衰器を示す構成図

符号の説明

１ ポリマーシート
２ａ、２ｂ 押さえ板
２ｃ、２ｄ 開口
３ａ、３ｂ コア
４ａ 出射端面
４ｂ 入射端面
７ 中間放射光
８ ボール
９ アクチュエータ
１０ 光学バッファ層
１１ 光学吸収層

Claims (6)

1. 出射端面を有する入力用光導波路と、
   前記入力用光導波路の出射端面からの放射光が入射する入射端面を有する出力用光導波路と、
   前記入力用光導波路の出射端面と前記出力用光導波路の入射端面との相対関係を変化させる可変手段とを備え、
   前記可変手段が前記相対関係を変化させていないときの前記出射端面と前記入射端面とのなす角度は、この角度を前記可変手段により増加させると前記出力用光導波路への前記放射光の結合量が増加するように設定されたことを特徴とする光可変減衰器。
2. 前記入力用光導波路と前記出力用光導波路とは、ベース体に一体形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光可変減衰器。
3. 前記ベース体の少なくとも一方の表面を保持し、前記入力用光導波路の出射端面と前記出力用光導波路の入射端面とに対応する位置に開口を有する押さえ板を備え、
   前記可変手段は、前記押さえ板の開口を通じて前記ベース体を押圧することによって、前記入力用光導波路の出射端面と前記出力用光導波路の入射端面との相対関係を変化させることを特徴とする請求項２に記載の光可変減衰器。
4. 前記ベース体の材料がポリイミドであり、前記入力用光導波路における光導波方向の直交面と前記出射端面とのなす角度が１８度以上２０度以下であり、前記出力用光導波路における光導波方向の直交面と前記入射端面とのなす角度が１８度以上２０度以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光可変減衰器。
5. 前記ベース体の表面に接し、前記ベース体よりも高い屈折率を有し、前記入射端面に入射した前記放射光のうち前記出力用光導波路に結合されない迷光を閉じ込める光学バッファ層を備えたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の光可変減衰器。
6. 前記ベース体の表面に接し、前記入射端面に入射した前記放射光のうち前記出力用光導波路に結合されない迷光を吸収する光学吸収層を備えたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の光可変減衰器。

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