JP4534607B2

JP4534607B2 - 導波路型可変光減衰器

Info

Publication number: JP4534607B2
Application number: JP2004166888A
Authority: JP
Inventors: 貴史千葉
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: JP2005345852A

Description

本発明は、ＭＺＩ回路の一方のアーム導波路を加熱する導波路型可変光減衰器に係り、溝を設けずとも温度差を大きくできる導波路型可変光減衰器に関する。

光通信で用いられる可変光減衰器は、ある強度Ｐｉｎを持つ光を任意の強度Ｐｏｕｔ（Ｐｉｎ＞Ｐｏｕｔ）に減衰させる機能を持つ。この可変光減衰器を導波路で実現するために、従来は、図８（ａ）に示されるように、２つのカプラ４，５間を２つの同じ長さの導波路（チャネル導波路、アーム導波路ともいう）６，７で接続した対称マッハツェンダ光回路（以下、ＭＺＩ回路という）８を用い、一方のアーム導波路上にヒータ８１を設けたものである。このヒータ８１の熱でアーム導波路６が温度上昇すると熱光学効果が誘起され、アーム導波路６を伝搬する光の位相が変化するので、ヒータ８１に印可する電力によって光の位相を制御し、カプラ５から出力される光の強度を制御することができる。

しかし、図８（ｂ）に示されるように、アーム導波路（コア）６上に位置するクラッド８２上のヒータ８１の熱はヒータ８１の幅方向にも伝搬して隣接するアーム導波路（コア）７に向かう。このように、一方のアーム導波路６を加熱することを意図したヒータ８１の熱が拡散し、他方のアーム導波路７においても温度上昇により熱光学効果が誘起されると、アーム導波路６における位相変化が他方のアーム導波路７における位相変化により相殺される。これに対してアーム導波路６をいっそう加熱しようとすると、ヒータ８１における消費電力が増加する。図８（ｃ）には、ヒータ８１の幅方向に生じる温度分布を示しておく。横軸上の数字６，７は各コアの位置を示す。

他方のアーム導波路７への熱伝搬を防ぐと共に消費電力を低減するために、図９に示した導波路型可変光減衰器のように、アーム導波路間に断熱溝を形成することが知られている。すなわち、この導波路型可変光減衰器では、図８（ａ）と同様な導波路型可変光減衰器のアーム導波路６，７間にヒータ９１からの熱拡散を遮断する断熱溝９２が設けてある。

特開２００４−４３４２号公報

しかしながら、図９のように断熱溝を形成することは、導波路型可変光減衰器の製造プロセスを煩雑にしてしまう。また、断熱溝は、偏波依存性等の特性を悪化させる要因となる。さらに、断熱溝を形成したことによってマイクロクラックが発生すると、信頼性の問題が発生することになる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、溝を設けずとも温度差を大きくできる導波路型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本発明は、２つのカプラ間にこれらカプラ間を結ぶ２つのアーム導波路を設けてＭＺＩ回路を構成し、上記カプラ間に一方のアーム導波路に沿わせてヒータを配置した導波路型可変光減衰器において、上記ヒータに上記一方のアーム導波路に沿った方向の両端に電極を設け、上記ヒータの抵抗値分布は、上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分における抵抗値が上記一方のアーム導波路の端部側に臨む部分の抵抗値より低くなる分布としたものである。

上記ヒータを同一の材料からなると共に、厚さが均一となる薄膜ヒータで構成し、この薄膜ヒータの幅を上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分より端部側に臨む部分で狭くしてもよい。

上記ヒータを上記一方のアーム導波路に沿った方向に複数に分割形成し、上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分に位置する分割ヒータの抵抗値を上記一方のアーム導波路の端部側に臨む部分に位置する分割ヒータの抵抗値より低くしてもよい。

上記ヒータを抵抗値の異なる複数の材料で構成し、上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分に位置する上記ヒータには抵抗値が低い材料を配置し、上記一方のアーム導波路の端部側に臨む部分に位置する上記ヒータには抵抗値が高い材料を配置してもよい。
また、上記目的を達成するために本発明の別の実施形態は、２つのカプラ間にこれらカプラ間を結ぶ２つのアーム導波路を設けてＭＺＩ回路を構成し、上記カプラ間に一方のアーム導波路に沿わせてヒータを配置した導波路型可変光減衰器において、上記ヒータの発熱量の分布が、上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分における発熱量が上記一方のアーム導波路の端部側に臨む部分の発熱量より少なくなる分布となるように、上記ヒータの抵抗値分布に変化をつけたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）溝を設けずとも温度差を大きくすることが可能となる。

（２）電力効率が向上する。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る導波路型可変光減衰器は、基板１上に入力側伝送路２と出力側伝送路３にそれぞれ接続される２つのカプラ４，５を設け、これらカプラ４，５間にカプラ４，５間を結ぶ２つの同じ長さのアーム導波路６，７設けてＭＺＩ回路８を構成し、カプラ４，５間に一方のアーム導波路６に沿わせてヒータ９を配置したものである。

ヒータ９には、アーム導波路６に沿った方向の両端に電極１０，１１を設け、これら電極１０，１１間に電源１２を接続できるようになっている。

本発明では、ヒータ９に電極１０，１１間で抵抗値分布に変化がつけてある。すなわち、アーム導波路６の中央に臨む部分における抵抗値がアーム導波路６の端部側に臨む部分の抵抗値より低くなる抵抗値分布が形成されている。このような抵抗分布を実現するための構成は後に述べるように種々あるが、ここではヒータ９を均一な厚さの薄膜ヒータで構成し、この薄膜ヒータの幅をアーム導波路６の中央に臨む部分より端部側に臨む部分で狭くしてある。薄膜ヒータの厚さが均一であるから幅によって抵抗値が左右され、幅が狭い端部では抵抗値が高く、幅が広い中央部では抵抗値が低くなっている。幅の変化は連続的でも不連続的でも良いが、本実施の形態では、幅が端部から中央部かけて連続的に広くなるようにしている。このヒータ９は太鼓を側面から見たような平面形状を呈している。以下、この形状をタイコ状パターンと呼ぶ。

次に、本発明の作用効果を図１の形態と背景技術との比較によって説明する。

まず、図１において、入力側伝送路２から導波路型可変光減衰器へ入射した光は、カプラ４に入射して２分岐される。分岐されたそれぞれの光は、アーム導波路６，７を伝搬してカプラ５で合流し、出力側伝送路３へと出射される。その際、電源１２よりヒータ９に電力を供給すると、このヒータ９を熱源とした温度分布が基板１上に発生する。この温度分布に応じてアーム導波路６，７間では温度が異なるために、アーム導波路６，７をそれぞれ伝搬する光に位相差が生じる。これらの光がカプラ５で合流するときにその位相差に応じた減衰が生じ、こうして減衰した光が出力側伝送路３へと出射される。

既に説明したように、熱の拡散により、ヒータがないほうのアーム導波路７も加熱される。この様子を図２（ａ）〜（ｆ）で詳しく説明する。

図２（ａ）は、背景技術の導波路型可変光減衰器を示したもので、ヒータ８１は均一な厚さの薄膜ヒータを幅が均一な矩形状パターンに形成されている。符号の同じものは図１と同一の部材である。図２（ｂ）は、そのヒータ８１のＢ−Ｂ’間抵抗値分布を示したもので、電極１０，１１間で抵抗値分布が一定であることがわかる。このヒータ８１に通電すると、Ｂ−Ｂ’間の温度分布は図２（ｃ）に示されるように、中央部が端部に比べて高温になる分布となる。図示しないがヒータ８１の幅方向にも中央部の温度の高さに応じた温度勾配が形成され、その温度勾配に応じヒータ８１の幅方向に熱が拡散するので、隣接しているアーム導波路７までが高い温度に加熱されることになる。また、このように熱が逃げていくので、アーム導波路６を所望した温度に維持するためにはヒータ８１により多くの電力を供給する必要が生じる。

一方、図２（ｄ）は、図１の導波路型可変光減衰器を示したもので、ヒータ９がタイコ状パターンに形成されている。図２（ｅ）は、そのヒータ９のＣ−Ｃ’間抵抗値分布を示したもので、電極１０，１１の近く、すなわちアーム導波路６の端部側に臨む部分では抵抗値が高く、電極１０，１１の中間、すなわちアーム導波路６の中央に臨む部分では抵抗値が低くなっている。このヒータ９に通電すると、電極１０，１１間の電流は一定であるから抵抗値が高い部分で発熱が多く、抵抗値が低い部分で発熱が少なくなる。よって、Ｃ−Ｃ’間の温度分布は図２（ｆ）に示されるように、両端部の温度が図２（ｃ）の場合よりも高くなり、中央部の温度は逆に図２（ｃ）の場合よりも低くなって、両端部中央部間の温度差が小さくなる。抵抗値分布を適切に調整すれば、温度分布を一定にすることも可能である。中央部の温度が低いため、図示しないヒータ９の幅方向の温度勾配はなだらかになり、アーム導波路７が加熱されにくくなる。同時に、熱の拡散が抑えられるので、アーム導波路６を所望した温度に維持するためにヒータ９に供給する電力が少なくて済むことになる。

上述の比較によって得られたヒータ電力と光の減衰量との関係を図３に示す。背景技術のようにヒータの抵抗値分布が一定の場合は、ヒータ電力を大きくすると減衰量が緩やかに増加する。これに対し、本発明のようにヒータの温度分布が一定の場合は、ヒータ電力を大きくすると減衰量が俊敏に増加する。

以上のように、本発明に係る導波路型可変光減衰器は、背景技術の導波路型可変光減衰器に比べ、同じ電力を印可したときの光の減衰量が大きく、同じ減衰量を得るために印可する電力が少ない、つまり電力効率が高いことになる。

また、本発明に係る導波路型可変光減衰器は、断熱溝を形成しないので、製造プロセスが簡単で、光学特性が良好で、信頼性も十分に維持できる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図４及び図５は、導波路型可変光減衰器のうちヒータを設けるアーム導波路の部分だけを取り出して示したものであり、この部分を図１の導波路型可変光減衰器に適用することができるものである。

図４の形態では、ヒータ９を上記一方のアーム導波路６に沿った方向に複数に分割し、分離して配置してある。電極１０のほうから順に分割ヒータ１３、導線１４、分割ヒータ１５が直列に並んでいる。この場合、アーム導波路６の中央部分に位置する導線１４では電圧降下がないため発熱がなく、端部側に位置する分割ヒータ１３，１５で発熱がある。これにより、ヒータ９の幅方向の温度勾配をなだらかにする効果が得られる。導線１４の抵抗値も考慮すると、この形態は、中央部分に位置する分割ヒータ１４の抵抗値を端部側に位置する分割ヒータ１３，１５の抵抗値より低くしたものと言うことができる。

図５の形態では、ヒータ９を抵抗値の異なる複数の材料で構成してある。電極１０のほうから順に厚さ及び幅の均一な薄膜ヒータで構成された３つの材料別ヒータ１６，１７，１８が直列に並んでおり、アーム導波路６の中央部分には抵抗値が低い材料からなる材料別ヒータ１７を配置し、アーム導波路６の端部側には抵抗値が高い材料からなる材料別ヒータ１６，１８を配置してある。この場合でも、電極１０，１１間の電流は一定であるから抵抗値が高い部分で発熱が多く、抵抗値が低い部分で発熱が少なくなる。よって、ヒータ９の幅方向の温度勾配をなだらかにする効果が得られる。抵抗値の異なる材料としては、例えば、五酸化タンタルとニッケルなどがある。

図１０及び図１１は、導波路型可変光減衰器のうちヒータを設けるアーム導波路の部分だけを取り出して示したものであり、この部分を図１の導波路型可変光減衰器に適用することができるものである。

図１０の形態では、ヒータ９を一方のアーム導波路６に沿った方向に複数に２分割し、互いに分離して配置してあると共に、アーム導波路６に沿って延びヒータ９を挟む電極１９，２０を設けてある。分割ヒータ２１と分割ヒータ２２は電極１９，２０間に並列に接続されていることになる。この場合、アーム導波路６の中央部分は分割ヒータ２１，２２間の隙間となっており、すなわちヒータが存在しないので発熱がなく、アーム導波路６の端部側に位置する分割ヒータ２１，２２で発熱がある。これにより、ヒータ９の幅方向の温度勾配をなだらかにする効果が得られる。隙間の抵抗値も考慮すると、この形態は、中央部分では抵抗値を端部側に位置する分割ヒータ２１，２２の抵抗値より大きくしたものと言うことができる。

図１１の形態では、ヒータ９を抵抗値の異なる複数の材料で構成すると共に、アーム導波路６に沿って延びヒータ９を挟む電極１９，２０を設けてある。厚さ及び幅の均一な薄膜ヒータで構成された３つの材料別ヒータ２３，２４，２５が電極１９，２０間に並列に接続されていることになる。アーム導波路６の中央部分には抵抗値が高い材料からなる材料別ヒータ２４を配置し、アーム導波路６の端部側には抵抗値が低い材料からなる材料別ヒータ２３，２５を配置してある。この場合でも、電極１９，２０間の電圧は一定であるから抵抗値が低い部分で発熱が多く、抵抗値が高い部分で発熱が少なくなる。よって、ヒータ９の幅方向の温度勾配をなだらかにする効果が得られる。

図６に示した導波路型可変光減衰器は、基板６１上に入力側伝送路６２と出力側伝送路６３にそれぞれ接続される２つのカプラ６４，６５を設け、これらカプラ６４，６５間にカプラ６４，６５間を結ぶ２つの異なる長さのアーム導波路６６，６７を設けてＭＺＩ回路６８を構成し、カプラ６４，６５間に一方のアーム導波路６６に沿わせてヒータ６９を配置したものである。図１の導波路型可変光減衰器との違いは、２つのアーム導波路６６，６７の長さが異なることである。アーム導波路６６，６７の長さは、ヒータ６９に電力を印可しないときに光の位相差が大きく減衰量が大きいようにしてある。ヒータ６９に電力を印可すると減衰量が小さくなる。

よって、この導波路型可変光減衰器のヒータ電力減衰量特性は図７に示されるように、電力が小さいときに減衰量が大きく、電力が大きいときに減衰量が小さいものとなる。この場合でも、図６のヒータ６９を矩形状パターンに形成するより、図示のようにタイコ状パターンに形成したほうが図７の特性が急峻になり、電力効率が高い。

上記実施の形態では、ＭＺＩ回路を用いた導波路型可変光減衰器について述べたが、ＭＺＩ回路を用いた光スイッチにおいても、２つのアーム導波路の一方だけを効果的に加熱したい場合に、本発明と同様にヒータの抵抗値分布に変化をつけると有効である。

図１２に示されるように、本発明を応用したＭＺＩ回路を用いた光スイッチは、基板１２１上に、２つの入力側伝送路１２２，１２３と接続されるカプラ１２４と、２つの出力側伝送路１２５，１２６に接続されるカプラ１２７とを設け、これらカプラ１２４，１２７間にカプラ１２４，１２７間を結ぶ２つの同じ長さのアーム導波路１２８，１２９を設けてＭＺＩ回路１３０を構成し、カプラ１２４，１２７間に一方のアーム導波路１２９に沿わせてヒータ１３１を配置したものである。

ヒータ１３１には、これまで説明した全ての形態が使用可能である。ここでは図１の形態に使用したヒータ９と同じものを使用している。

この光スイッチの動作は次の通りである。

外部から入力側伝送路１２２へ入射した光は、カプラ１２４に入射して２分岐される。分岐されたそれぞれの光はアーム導波路１２８，１２９を伝搬してカプラ１２７で合流し、出力側伝送路１２５，１２６へと出射される。

ここで、ヒータ１３１が加熱されていないとすると、両アーム導波路１２８，１２９は長さも温度も同じであるから、カプラ１２７に入射した光はもっぱら出力側伝送路１２６へと出射され、出力側伝送路１２５へは出射されない。逆に、ヒータ１３１が加熱されており、アーム導波路１２９が所定の温度に達しているとすると、熱光学効果によりアーム導波路１２９を伝搬する光の位相が変化するので、カプラ１２７に入射した光はもっぱら出力側伝送路１２５へと出射され、出力側伝送路１２６へは出射されない。

この光スイッチのヒータ電力対２出力特性は図１３に示されるように、ヒータ電力が小さいときに出力側伝送路１２６の出力が大きく、電力が大きいときに出力側伝送路１２５の出力が大きいものとなる。つまり、ヒータ１３１を加熱させるかさせないかにより、入力側伝送路１２２へ入射した光の出射先を切り換えることができる。

本発明の一実施形態を示す導波路型可変光減衰器の平面図である。（ａ）は背景技術の導波路型可変光減衰器の平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線に沿った抵抗値分布図、（ｃ）はＢ−Ｂ’線に沿った温度分布図、（ｄ）は本発明に係る導波路型可変光減衰器の平面図、（ｅ）はＣ−Ｃ’線に沿った抵抗値分布図、（ｆ）はＣ−Ｃ’線に沿った温度分布図である。図１の導波路型可変光減衰器におけるヒータ電力光減衰量特性図である。本発明の一実施形態を示す導波路型可変光減衰器の平面図である。本発明の一実施形態を示す導波路型可変光減衰器の平面図である。本発明の一実施形態を示す導波路型可変光減衰器の平面図である。図６の導波路型可変光減衰器におけるヒータ電力光減衰量特性図である。（ａ）は背景技術の導波路型可変光減衰器の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（ｃ）はヒータ幅方向の温度分布図である。背景技術の導波路型可変光減衰器の平面図である。本発明の一実施形態を示す導波路型可変光減衰器の平面図である。本発明の一実施形態を示す導波路型可変光減衰器の平面図である。本発明の一実施形態を示す光スイッチの平面図である。図１２の光スイッチのヒータ電力対２出力特性図である。

符号の説明

１基板
４，５カプラ
６アーム導波路（一方のアーム導波路）
７アーム導波路（他方のアーム導波路）
８ＭＺＩ回路
９ヒータ
１０，１１電極

Claims

２つのカプラ間にこれらカプラ間を結ぶ２つのアーム導波路を設けてＭＺＩ回路を構成し、上記カプラ間に一方のアーム導波路に沿わせてヒータを配置した導波路型可変光減衰器において、
上記ヒータに上記一方のアーム導波路に沿った方向の両端に電極を設け、上記ヒータの抵抗値分布は、上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分における抵抗値が上記一方のアーム導波路の端部側に臨む部分の抵抗値より低くなる分布としたことを特徴とする導波路型可変光減衰器。
上記ヒータを同一の材料からなると共に、厚さが均一となる薄膜ヒータで構成し、この薄膜ヒータの幅を上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分より端部側に臨む部分で狭くしたことを特徴とする請求項１記載の導波路型可変光減衰器。
上記ヒータを上記一方のアーム導波路に沿った方向に複数に分割形成し、上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分に位置する分割ヒータの抵抗値を上記一方のアーム導波路の端部側に臨む部分に位置する分割ヒータの抵抗値より低くしたことを特徴とする請求項１記載の導波路型可変光減衰器。
上記ヒータを抵抗値の異なる複数の材料で構成し、上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分に位置する上記ヒータには抵抗値が低い材料を配置し、上記一方のアーム導波路の端部側に臨む部分に位置する上記ヒータには抵抗値が高い材料を配置したことを特徴とする請求項１記載の導波路型可変光減衰器。
２つのカプラ間にこれらカプラ間を結ぶ２つのアーム導波路を設けてＭＺＩ回路を構成し、上記カプラ間に一方のアーム導波路に沿わせてヒータを配置した導波路型可変光減衰器において、
上記ヒータの発熱量の分布が、上記一方のアーム導波路の中央に臨む部分における発熱量が上記一方のアーム導波路の端部側に臨む部分の発熱量より少なくなる分布となるように、上記ヒータの抵抗値分布に変化をつけたことを特徴とする導波路型可変光減衰器。