JP4506304B2

JP4506304B2 - タンデム接続型多芯可変光減衰器

Info

Publication number: JP4506304B2
Application number: JP2004191711A
Authority: JP
Inventors: 哲高杉; 佐藤　　忍; 哲櫨川; 明小倉
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-06-29
Also published as: JP2006011278A

Description

本発明は、可変光減衰器に係り、特に、可変光減衰器をタンデム接続したタンデム接続型多芯光減衰器に関するものである。

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、多芯可変光減衰器５０は、複数の可変光減衰器６０ａ，６０ｂが並列に形成されてなる。

一つの可変光減衰器６０ａ（６０ｂ）は、基板５１上に形成された入力導波路５２ａ（５２ｂ）と出力導波路５３ａ（５３ｂ）との間に２本の分岐導波路５４ａ，５５ａ（５４ｂ，５５ｂ）を有するマッハツェンダ型光導波路を備えている。いずれか一方の分岐導波路５４ａ（５４ｂ）上方のクラッド５６表面には位相シフタとなる薄膜ヒータ５９ａ（５９ｂ）が設けられ、薄膜ヒータ５９ａ（５９ｂ）は通電用の電源（図示せず）に接続されている。各可変光減衰器６０ａ，６０ｂの入力導波路５２ａ（５２ｂ）及び出力導波路５３ａ（５３ｂ）には、それぞれ信号光を入出力するための光ファイバ（図示せず）が接続されている。

多芯可変光減衰器５０は、薄膜ヒータ５９ａ（５９ｂ）に電圧を印加することで一方の分岐導波路５４ａ（５４ｂ）が加熱され、分岐導波路５４ａ（５４ｂ）の屈折率を変化させる。これにより、Ｙ分岐部５７ａ（５７ｂ）で分岐され、両分岐導波路５４ａ，５５ａ（５４ｂ，５５ｂ）を伝搬する信号光は、位相差を有し、Ｙ分岐部５８ａ（５８ｂ）において光干渉により減衰される。多芯可変光減衰器５０の設計段階において、分岐導波路５４ａ，５５ａ（５４ｂ，５５ｂ）の光路長差と、薄膜ヒータ５９ａ（５９ｂ）による温度変化（印加電圧値）との関係から、薄膜ヒータ５９ａ（５９ｂ）の温度を目的の値に設定して所望の光減衰量を得る。また、可変光減衰器を多段に接続することにより、最大光減衰量を大きくすることができる（特許文献１参照）。

特開２００３−５１３９号公報

上述の多芯可変光減衰器５０では、各可変光減衰器の信号光をそれぞれ減衰させる際に、並列に隣接する可変光減衰器のクロストークが大きくなってしまうという問題がある。

図６に示すように、各可変光減衰器６０ａ，６０ｂの減衰量を制御する一例として、並列配置された２つの可変光減衰器６０ａ，６０ｂによる信号光の光減衰量を互いに等しくする場合、薄膜ヒータ５９ａ，５９ｂの温度を等しくするので、減衰器内の温度は、温度分布線６１のようになる。分岐導波路５４ａ、５５ａ間の温度差ΔＴ１ａと、分岐導波路５４ｂ，５５ｂ間の温度差ΔＴ１ｂとは略等しく、可変光減衰器６０ａ，６０ｂでは信号光の光減衰量が等しくなる。

また、他の例として、一つの可変光減衰器６０ｂの光減衰量を、他の可変光減衰器６０ａの減衰量より大きくする場合は、薄膜ヒータ５９ｂの温度を上げ、分岐導波路５４ｂ，５５ｂ間の温度差を大きくする（ΔＴ２ｂ）。そのとき、減衰器５０の温度分布は、温度分布線６２のようになり、可変光減衰器６０ｂに隣接する可変減衰器６０ａの分岐導波路５５ａの温度が薄膜ヒータ５９ｂの影響をうけて、所望の設定温度よりも上昇する。これにより、分岐導波路５４ａ，５５ａ間の温度差ΔＴ２ａが小さくなり、信号光の減衰量は、設定した減衰量よりも小さくなってしまう（ΔＴ２ａ＜ΔＴ１ａ）。すなわち、並列に配置された可変減衰器間の熱アイソレーションにより、信号光の減衰量にクロストークが発生してしまう問題がある。

熱アイソレーションを低減するために、隣接する可変光減衰器間の距離を大きくしたり、各減衰器の間に断熱溝を設ける等の対策を施しているが、導波路素子の増大や加工工程の複雑化、長期化が発生してしまう。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光減衰量のクロストークを低減し、かつ素子サイズが小型で加工が容易である可変光減衰器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、入力導波路と出力導波路間に一対の分岐導波路を接続してマッハツェンダ型光導波路を形成し、上記分岐導波路の上方に薄膜ヒータを設け、該薄膜ヒータに通電して信号光を減衰させる可変光減衰器において、上記マッハツェンダ型光導波路を２段タンデム接続し、そのタンデム接続したマッハツェンダ型光導波路を複数並列に同一基板上に形成し、タンデム接続された２つのマッハツェンダ型光導波路では互いに異なる側の分岐導波路上方のみに上記薄膜ヒータを設け、かつ、上記薄膜ヒータを設けた側の分岐導波路とは反対側の分岐導波路上方には、上記薄膜ヒータと同材質同形状の予備ヒータを設け、通常使用時には、並列配置されたマッハツェンダ型光導波路において、同じ側の分岐導波路上方に設けた上記薄膜ヒータを通電し、一方、上記薄膜ヒータが不具合により機能しないときには、上記予備ヒータを通電するタンデム接続型多芯可変光減衰器である。

請求項２の発明は、入力導波路と出力導波路間に一対の分岐導波路を接続するマッハツェンダ型光導波路を形成し、上記分岐導波路の上方に薄膜ヒータを設け、該薄膜ヒータに通電して信号光を減衰させる可変光減衰器において、上記マッハツェンダ型光導波路を２段タンデム接続し、そのタンデム接続したマッハツェンダ型光導波路を複数個並列に配置してマッハツェンダ型光導波路群を形成し、そのマッハツェンダ型光導波路群を複数段タンデム接続し、各マッハツェンダ型光導波路群における薄膜ヒータを、タンデム接続された２つのマッハツェンダ型光導波路では互いに異なる側の分岐導波路上方のみに設け、かつ、上記薄膜ヒータを設けた側の分岐導波路とは反対側の分岐導波路上方には、上記薄膜ヒータと同材質同形状の予備ヒータを設け、通常使用時には、並列配置されたマッハツェンダ型光導波路において、同じ側の分岐導波路上方に設けた上記薄膜ヒータを通電し、一方、上記薄膜ヒータが不具合により機能しないときには、上記予備ヒータを通電するタンデム接続型多芯可変光減衰器である。

本発明によれば、素子サイズが小型で加工が容易であり、安定した光減衰制御ができるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本実施の形態に係るタンデム接続型多芯可変光減衰器の好適な実施の形態を示した上面図である。

図１に示すように、タンデム接続型多芯可変光減衰器１０は、同一基板５１上に、２つの可変光減衰器１９，２９をタンデム接続したタンデム接続型可変光減衰器３０ａ，３０ｂ，…（以下、タンデム型減衰器）を複数（図では４つ）並列に配置して構成される。

各タンデム型減衰器３０ａ，３０ｂ，…を構成する各可変光減衰器１９（２９）は、断面が矩形状のコア（光導波路）とコアを覆うクラッド５６と、クラッド５６上面に形成される薄膜ヒータ１８（２８）とを有し、前記光導波路は、入力導波路１１（２１）と、出力導波路１２（２２）と、それらの間に分岐部１５，１６（２５，２６）を介して接続された一対の分岐導波路１３，１４（２３，２４）とからなるマッハツェンダ型光導波路１７（２７）を備えている。本実施の形態では、分岐部１５，１６（２５，２６）はＹ字状に形成されたＹ分岐である。

マッハツェンダ型光導波路１７（２７）の分岐導波路１３，１４（２３，２４）のうち、いずれか一方の分岐導波路１３（２４）上方のクラッド５６表面には、薄膜ヒータ１８（２８）が設けられる。薄膜ヒータ１８（２８）は、薄膜ヒータに通電するために、クラッド５６表面に形成される電極膜（図示せず）を介して電源に接続される。

さらに、マッハツェンダ型光導波路１７の出力導波路１２とマッハツェンダ型光導波路２７の入力導波路２１とが接続されて、２つの可変光減衰器１９，２９がタンデム接続されたタンデム型減衰器３０ａが形成される。

各タンデム接続型可変光減衰器３０ａ，３０ｂ，…の一方（図中左側）の可変光減衰器１９，１９ｂの入力導波路１１，１１ｂには、信号光入力用の光ファイバが連なる光ファイバアレイ（図示せず）が接続される。同様に、各タンデム型減衰器３０ａ，３０ｂの他方（図中右側）の可変減衰器２９，２９ｂの出力導波路２２，２２ｂには、信号光出力用の光ファイバアレイが接続される。

次に、本実施の形態のタンデム接続型多芯可変光減衰器１０の特徴である薄膜ヒータの配置について説明する。

薄膜ヒータは１８，２８は、各タンデム型減衰器３０ａ、３０ｂでは、タンデム接続された２つのマッハツェンダ型光導波路１７、２７の互いに異なる側の分岐導波路上方に設けられる。即ち、一方のマッハツェンダ型光導波路１７では、図中上側に位置する分岐導波路１３上方のクラッド５６表面に薄膜ヒータ１８が設けられ、他方のマッハツェンダ型光導波路２７では図中下側の分岐導波路２４上方のクラッド５６表面に薄膜ヒータ２８が設けられる。

同様に、タンデム接続型可変光減衰器３０ｂでは、薄膜ヒータ１８ｂ，２８ｂが、分岐導波路１３ｂ，２４ｂ上方のクラッド４６表面に形成されており、並列方向に隣接する可変光減衰器間１９，１９ｂ（２９，２９ｂ）でヒータが隣り合わないように配置される。即ち、薄膜ヒータは、並列配置されたマッハツェンダ型光導波路においては、すべて同じ側の分岐導波路上方に配置される。つまり、図から明かなように、タンデム接続型多芯可変光型減衰器の並列方向（図の上下方向）において、薄膜ヒータが設けられた分岐導波路と、薄膜ヒータが設けられていない分岐導波路とが交互に設けられる。

なお、本実施の形態のタンデム接続型多芯可変光減衰器１０は、分岐部１５，１６をＹ分岐としたが、分岐部１５，１６にＭＭＩ（Multi Mode Interference ）カプラ、或いは方向性結合器を形成して、信号光の分岐、合流をしてもよい。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

各可変減衰器１９において、入力導波路１１に入射された信号光はＹ分岐部１５で３ｄＢ分岐し、それぞれ分岐導波路１３，１４を伝搬して、Ｙ分岐部１６で合流し、出力導波路１２へ伝搬する。その際、薄膜ヒータ１８は通電され、薄膜ヒータ１８の熱による熱光学効果で、分岐導波路１３の屈折率が変化し、分岐導波路１３，１４間の光路長差が異なる。すなわち、薄膜ヒータ１８が分岐導波路１３を伝搬する信号光の位相シフタの役割を果たし、それぞれ光路長差の異なる分岐導波路１３，１４を伝搬した信号光は分岐部１６で合流する際に干渉して減衰する。

可変光減衰器１９は、薄膜ヒータ１８への印加電圧等を変化させることで薄膜ヒータ１８の温度を変化させ、熱光学効果により分岐導波路１３の屈折率（光路長）を変化させており、ヒータ温度、即ち、印加電圧を調整することにより信号光の光減衰量を制御することができる。

同様に、可変光減衰器１９に接続された可変光減衰器２９も同等の作用を有し、並列に配置された各可変光減衰器１９ｂ，２９ｂも同等の作用を有する。

タンデム接続型可変光減衰器３０ａは、可変光減衰器１９，２９を２段にタンデム接続しているので、信号光の最大光減衰量を大きくとることができる。さらに、複数のタンデム接続型可変光減衰器３０ａ、３０ｂが並列に形成されているので、多チャンネルの信号光の減衰利得を制御することができる。

ここで、減衰器動作時の薄膜ヒータの作用について説明する。

背景技術の欄で説明したように、各タンデム型減衰器の信号光の減衰量を等しく制御する際には、各薄膜ヒータの温度が全て等しくなるよう調整する。このとき、タンデム接続型可変光減衰器１０内の温度分布は、図６の温度分布線６１と同様となり、所望の減衰量が得られる。

一方、あるタンデム型減衰器の光減衰量を、他のタンデム型減衰器の光減衰量より大きくする場合は、そのタンデム型減衰器の薄膜ヒータに対する印加電圧を大きくして、その温度を他の薄膜ヒータの温度より高くする。

ここで、図の上から２列目に位置するタンデム型減衰器３０ｂの光減衰量を他のタンデム型減衰器の光減衰量より大きくする場合を例に、タンデム接続型多芯可変光減衰器１０の温度分布を図１及び図２を用いて説明する。

図２（ａ）は、図１のタンデム接続型多芯可変光減衰器１０の２Ａ−２Ａ線断面における温度分布４１を示し、図２（ｂ）は２Ｂ−２Ｂ線断面における温度分布４２を示す図である。なお、図２（ａ）及び（ｂ）の温度分布線４３，４４は、隣接する可変光減衰器の影響がないときの温度（設定温度）分布を示した図である。

図２（ａ）に示すように、タンデム型減衰器３０ａの一段目（図の左側）の可変光減衰器１９における薄膜ヒータが設けられていない分岐導波路１４が、タンデム型減衰器３０ｂの一段目の可変光減衰器１９ｂにおける薄膜ヒータ１８ｂが設けられた分岐導波路１３ｂと近接しているので、一段目の可変光減衰器１９の分岐導波路１４の温度が、可変光減衰器１９ｂの薄膜ヒータの影響により、予め設定した温度よりも上昇する。よって、可変光減衰器１９では、分岐導波路１３，１４間の温度差ΔＴ１が、設定した温度差ΔＴｓよりもΔＴ１ｓ（ΔＴｓ−ΔＴ１）だけ小さくなる。これにより、分岐導波路１３，１４間の位相差が分岐導波路間の温度差の変化分ΔＴ１ｓだけ小さくなり、可変光減衰器１９で減衰される信号光の光減衰量は設定値よりもΔＴ１ｓ分だけ減少する。

一方、２段目の可変減衰器２９（図中右側）では、薄膜ヒータ２８が設けられた分岐導波路２４の方が、薄膜ヒータの設けられていない分岐導波路２３よりも、２列目のタンデム型減衰器３０ｂにおける薄膜ヒータの設けられた分岐導波路２４ｂに近接しているので、分岐導波路２４の温度が、可変光減衰器２９ｂの薄膜ヒータ２８ｂの影響により、薄膜ヒータ２８による温度上昇分以上に上昇する。よって、可変光減衰器２９では、分岐導波路２３，２４間の温度差ΔＴ２が、設定した温度差ΔＴｓよりもΔＴ２ｓ（ΔＴ２−ΔＴｓ）だけ大きくなる。これにより、分岐導波路２３，２４間の位相差が分岐導波路間の温度差の変化分ΔＴ２ｓだけ大きくなり、可変光減衰器２９で減衰される信号光の光減衰量が設定値よりもΔＴ２ｓ分だけ増加する。

各タンデム型減衰器３０ａ（３０ｂ）で、タンデム接続された可変光減衰器間１９、２９（１９ｂ，２９ｂ）の薄膜ヒータ１８，２８（１８ｂ，２８ｂ）の温度をそれぞれ等しくすれば、タンデム型減衰器３０ａにおいて、上記の温度差の変化分ΔＴ１ｓとΔＴ２ｓが略等しくなる。よって、タンデム型減衰器３０ａの信号光の減衰量は、一段目の可変光減衰器１９による減少分（ΔＴ１ｓに対応）と二段目の可変光減衰器２９による増加分（ΔＴ２ｓに対応）が略相殺される。これにより、タンデム型減衰器３０ａでは、所望の設定された光減衰量を得ることができる。

また、タンデム型減衰器３０ｂの光減衰量を他のタンデム型減衰器３０ａの光減衰量よりも小さくする場合も、上述の場合と同様に、並列に隣接するタンデム型減衰器３０ａの光減衰量の変化を小さくすることができる。

以上、本実施の形態のタンデム接続型多芯可変光減衰器１０では、並列に隣接するタンデム型減衰器３０ｂの熱アイソレーションによる光減衰量の変化を低減することができるので、安定した所望の光減衰量を得ることができる。

また、タンデム接続型多芯可変光減衰器１０は、薄膜ヒータの配置を工夫したものであるので、並列に隣接する可変光減衰器間の距離を大きくすることなく、素子サイズの小型化が可能である。また、光導波路の周囲に断熱溝等の加工を施す必要がなく、製造工程を短く、容易に製造することができる。

次に、他の実施の形態のタンデム接続型多芯可変光減衰器を図３を用いて説明する。

なお、この形態のタンデム接続型多芯可変光減衰器３１の基本的な構成部分は、上述した図１のタンデム接続型多芯可変光減衰器１０とほぼ同様であり、同一構成部分には、図１の場合と同一の符号を付してあるが、可変光減衰器を４段にタンデム接続した点において異なる。

図３に示すように、タンデム接続型多芯可変光減衰器３１は、各可変光減衰器１９，２９を２段にタンデム接続したタンデム型減衰器３０ａを並列に配置し、各タンデム型減衰器３０ａ，３０ｂに、それぞれタンデム型減衰器３２ａ，３２ｂをタンデム接続したものである。

即ち、タンデム接続型多芯可変光減衰器３１は、２段にタンデム接続されたマッハツェンダ型光導波路１７，２７（１７ｂ，２７ｂ）を複数個並列に配置したマッハツェンダ型光導波路群４７を形成し、２つのマッハツェンダ型光導波路群４７，４８をタンデム接続したものである。各マッハツェンダ型光導波路群４７に設けられる薄膜ヒータ１８，１８ｂ，２８，２８ｂは、前実施の形態のタンデム接続型多芯可変光減衰器１０と同じである。つまり、各マッハツェンダ型光導波路群に配置される薄膜ヒータは、タンデム接続された２つのマッハツェンダ型光導波路１７，２７においては、互いに異なる側の分岐導波路上方にそれぞれ設けられ、並列配置されたマッハツェンダ型光導波路１７，１７ｂにおいては、同じ側の分岐導波路上方に設けられている。

このタンデム接続型多芯可変光減衰器３１においても、上述のタンデム接続型多芯可変光減衰器１０と同等の作用効果を有し、さらに、タンデム接続型多芯可変光減衰器３１は、タンデム接続型多芯可変光減衰器１０より可変光減衰器の接続数が多いので、最大光減衰量をより大きくすることができる。

なお、タンデム接続型多芯可変光減衰器３１における可変光減衰器のタンデム接続数は、２或いは４に限らず、偶数段であればいずれでもよく、接続数を多くすることで信号光の最大光減衰量をより大きくすることができる。

ここで、薄膜ヒータは、各タンデム型減衰器３２ａ（３２ｂ）においてのみ、異なる側の分岐導波路上方に設けられればよい。つまり、互いにタンデム接続された可変光減衰器同士であっても、それぞれが異なるタンデム型減衰器３０ａ，３２ａに属する場合、両可変光減衰器間で薄膜ヒータを同じ側の分岐導波路上方に設けても上記効果を得ることができる。なぜなら、各々のタンデム型減衰器内でヒータの配置を異ならせておけば、隣接する薄膜ヒータからの影響を打ち消すことができるからである。

例えば、図３のタンデム接続型多芯可変光減衰器３１において、三段目の可変光減衰器３４の薄膜ヒータ３６を図中下側の分岐導波路上方に設け、四段目の可変光減衰器３５の薄膜ヒータ３７を図中上側の分岐導波路上方に設けてもよい。このとき、タンデム型減衰器３２ａに並列に配置されるタンデム型減衰器３２ｂの各薄膜ヒータ３６ｂ，３７ｂも、同様に、可変減衰器３２ａと同じ側の分岐導波路上方に配置される。

また、図４に示すように、タンデム接続型多芯可変光減衰器４０は、図１に示したタンデム接続型多芯可変光減衰器１０において、各可変光減衰器１９，２９のクラッド表面５６に薄膜ヒータ１８，２８が形成されていない側の分岐導波路１４，２３の上方にも、薄膜ヒータ（金属膜）４５を設けた変形例である。

この薄膜ヒータ４５は、通常使用時には通電されない。金属膜４５を分岐導波路１４，２３上方に形成する際、その金属膜４５を、通電される薄膜ヒータ１８，２８と同一の材料及び形状に形成することが好ましい。金属膜４５を通電される薄膜ヒータ１８，２８と同材質同形状にすることで、成膜による応力が分岐導波路へ及ぼす偏光依存性損失等の光学特性の劣化を抑制することができる。

また、もう一方の分岐導波路１４，２３上方に設けた薄膜ヒータ（金属膜）４５は、分岐導波路１３，２４の温度を制御するための薄膜ヒータ１８，２８が不具合により機能しないときに、もう一方の分岐導波路１４，２３上方に設けた薄膜ヒータ４５に通電して分岐導波路１４，２３の温度制御を行う予備ヒータとして用いることができる。

本実施の形態のタンデム接続型多芯可変光減衰器を示す上面図である。（ａ）は、図１の２Ａ−２Ａ線断面における温度分布を示す図であり、（ｂ）は、図１の２Ｂ−２Ｂ線断面における温度分布を示す図である。他の実施の形態のタンデム接続型多芯可変光減衰器を示す上面図である。図１のタンデム接続型多芯可変光減衰器の変形例を示す上面図である。（ａ）は、従来の多芯可変光減衰器を示す上面図であり、（ｂ）は、５Ｂ−５Ｂ線断面図である。図５の多芯可変光減衰器の５Ｂ−５Ｂ線断面における温度分布を示す図である。

符号の説明

１０タンデム接続型多芯可変光減衰器
１１，２１入力導波路
１２，２２出力導波路
１３，１４，２３，２４分岐導波路
１７，２７マッハツェンダ型光導波路
１８，２８薄膜ヒータ
１９，２９可変光減衰器

Claims

入力導波路と出力導波路間に一対の分岐導波路を接続してマッハツェンダ型光導波路を形成し、上記分岐導波路の上方に薄膜ヒータを設け、該薄膜ヒータに通電して信号光を減衰させる可変光減衰器において、
上記マッハツェンダ型光導波路を２段タンデム接続し、そのタンデム接続したマッハツェンダ型光導波路を複数並列に同一基板上に形成し、タンデム接続された２つのマッハツェンダ型光導波路では互いに異なる側の分岐導波路上方のみに上記薄膜ヒータを設け、かつ、上記薄膜ヒータを設けた側の分岐導波路とは反対側の分岐導波路上方には、上記薄膜ヒータと同材質同形状の予備ヒータを設け、
通常使用時には、並列配置されたマッハツェンダ型光導波路において、同じ側の分岐導波路上方に設けた上記薄膜ヒータを通電し、
一方、上記薄膜ヒータが不具合により機能しないときには、上記予備ヒータを通電することを特徴とするタンデム接続型多芯可変光減衰器。
入力導波路と出力導波路間に一対の分岐導波路を接続するマッハツェンダ型光導波路を形成し、上記分岐導波路の上方に薄膜ヒータを設け、該薄膜ヒータに通電して信号光を減衰させる可変光減衰器において、
上記マッハツェンダ型光導波路を２段タンデム接続し、そのタンデム接続したマッハツェンダ型光導波路を複数個並列に配置してマッハツェンダ型光導波路群を形成し、そのマッハツェンダ型光導波路群を複数段タンデム接続し、各マッハツェンダ型光導波路群における薄膜ヒータを、タンデム接続された２つのマッハツェンダ型光導波路では互いに異なる側の分岐導波路上方のみに設け、かつ、上記薄膜ヒータを設けた側の分岐導波路とは反対側の分岐導波路上方には、上記薄膜ヒータと同材質同形状の予備ヒータを設け、
通常使用時には、並列配置されたマッハツェンダ型光導波路において、同じ側の分岐導波路上方に設けた上記薄膜ヒータを通電し、
一方、上記薄膜ヒータが不具合により機能しないときには、上記予備ヒータを通電することを特徴とするタンデム接続型多芯可変光減衰器。