JP4649788B2

JP4649788B2 - 平面導波路型光デバイス

Info

Publication number: JP4649788B2
Application number: JP2001213823A
Authority: JP
Inventors: 均畑山; 哲也服部; 智財広瀬; 学塩崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: JP2003029218A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は平面導波路型光デバイスに関し、特に熱光学位相シフタを用いた平面導波路型光デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長多重（ＷＤＭ）光通信は、複数の光源から出射された波長１．５５μｍ帯の多波長の信号光を１本の光ファイバ伝送路に一括して伝送させ、波長毎に割り振られた受光器で受信することにより大容量・高速の光通信を行うものである。ＷＤＭ光通信システムにおいては、複数の光源から出射された信号光を１本の光ファイバに合波させるための光合波器、および１本の光ファイバ内を伝搬する多波長の信号光を複数の受光器に分波させる光分波器が必要とされる。また、受光器で正常に受光するためには、受光器に到達する多波長の信号光それぞれのパワーは互いにほぼ等しいことが要求されるので、多波長の信号光それぞれにおける光パワーを等化にするための光減衰器が必要とされる。
【０００３】
光合分波器および光減衰器等の光デバイスにおいては、波長可変選択、透過波長幅可変、光減衰量可変等の機能が付加できれば、その適用範囲が広げられる。例えば、特開平５−３２３２４６公報「光合分波器」には、平面導波路から形成されるアレイ導波路型回折格子（Arrayed Waveguide Grating、以下ＡＷＧ）で、アレイ状光導波路の上部に薄膜ヒーターからなる熱光学位相シフタを取り付けることによって波長可変選択機能を付加する技術が記載されている。また、文献「K. Hattori, et al., "All-PLC-based optical ADM with high isolation and polarization independent level equalizer", in Proc. ECOC'98, 1998, pp.327-328」には、平面導波路から形成されるマッハツェンダ干渉計で、干渉計における光導波路の上部に薄膜ヒーターからなる熱光学位相シフタを取り付けて光路の温度を調整することによって各光結合部の間の光路長差を制御し、光減衰量を可変に制御する技術が記載されている。
【０００４】
コアおよびクラッドから構成される光導波路において、クラッド表面に薄膜ヒーターからなる熱光学位相シフタが取り付けられた場合、コアとクラッドとの熱膨張係数の違いに起因して、光導波路には上下方向の熱応力が生じやすい。光導波路に上下方向の熱応力が生じた場合、光導波路の上下方向と横方向とで屈折率に差異（複屈折）が発生する。そのため、熱光学位相シフタを有する平面導波路型光デバイスでは、光学特性の偏波依存性が大きくなりやすい。これに対して、例えば、文献「２００１年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−６４（予稿集Ｐ．２２９）ＰＬＣ型可変減衰器の低ＰＤＬ化」には、導波路の両側に熱応力開放用の溝を設けて偏波依存性損失（Polarization Dependent Loss、以下ＰＤＬ）を低減しようとする技術が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、導波路の両側に熱応力開放用の溝を設けてＰＤＬを低減させようとする技術においては、以下のような問題点を有している。導波路の両側に加工される溝は、熱応力を十分に開放させるためには、クラッド表面からクラッドと基板との境界付近までの深さを持たせる必要がある。一般的な光回路においては、この深さはおおよそ２０〜５０μｍである。通常、溝加工はクラッド形成後のエッチングによって行われるが、上記のような深さの加工は、通常のエッチング速度から考えて５〜１０時間程度の多大な時間を要してしまう。また、加工後のクラッド表面には、細長い導波路部が露出してしまうために、その部分で機械的強度が弱くなってしまい、破断しやすい状況が発生する。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、光学特性に関して良好な偏波依存性を有していて、製造時間が短く、かつ機械的強度の強い平面導波路型光デバイスを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板と、基板に設けられた複数の光導波路と、それぞれが光入出力部を有すると共に複数の光導波路を結合させる２つの光結合部と、光導波路の少なくとも一部に設けられ光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタとを具備する平面導波路型光デバイスであって、光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの近辺には、光伝搬作用を有しない光導波路および光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタとが配置されており、前記光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱温度を上昇させる際に、前記光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタの加熱温度を上昇させることにより、前記光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱により生じる前記光導波路の複屈折の増加分を低減することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る平面導波路型光デバイスにおいて、光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱温度と比例させて、光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタの加熱温度を制御するのが好適である。
【０００９】
ここで、光伝搬作用を有しない光導波路とは、光パワーが伝搬している光導波路と実質的に光結合していなく、かつ光パワー伝搬の働きを有しない光導波路を意味する。
【００１０】
上記の光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの近辺に、光伝搬作用を有しない光導波路および光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタとを配置することによって、光路長を調整する熱光学位相シフタに起因する熱応力から生じる複屈折を、光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタによる熱応力によって打ち消すことが可能となる。これによって、熱応力に起因するＰＤＬの劣化が抑制される。
【００１１】
また、光導波路の両側に溝を設けるようなエッチング加工を行わないので、多大な加工時間を要したり、機械的強度が弱くなったりする問題が生じない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同じ部分には同じ番号を付して重複する説明を省略する。
【００１３】
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明に係る第一の実施形態である平面導波路型光デバイス１の構成図である。図１（Ａ）は、全体平面図である。平面導波路型光デバイス１は、基板１００と、基板上に形成されたクラッド７０内に埋設された２本の光導波路１０、２０と、光導波路１０、２０を両端の位置で結合させる２つの光結合部５０、６０と、これらの光結合部５０、６０に結合する光入力部４、光出力部５を有する。クラッド７０の表面には、光導波路１０に沿って設けられ光導波路の光路長を調整する薄膜ヒーター１１０が配置されている。この薄膜ヒーター１１０の近辺には、光導波路１０と平行して光伝搬作用を有しない光導波路３０がクラッド７０内に埋設され、同時にクラッド７０の表面に光導波路３０を加熱する薄膜ヒーター１３０が光導波路３０に沿って配置されている。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の線分ＡＡ’における拡大断面図である。
【００１４】
ここで、薄膜ヒーター１１０および１３０において、それぞれの加熱温度を上げた場合の光導波路１０が薄膜ヒーターに起因する熱応力によって被る複屈折をシミュレーション計算で求めた結果を図２に示す。光導波路１０は、薄膜ヒーター１１０の加熱によって負の複屈折、薄膜ヒーター１３０の加熱によって正の複屈折を受けることがわかる。光導波路１０がそれぞれの薄膜ヒーターから受ける複屈折の符号が反対となる定性的な理由は、薄膜ヒーター１１０の加熱の場合、上下方向の温度分布のために光導波路１０には縦方向の熱応力が働くのに対して、薄膜ヒーター１３０の加熱の場合、光導波路３０の熱膨張を通して光導波路１０には横方向の熱応力が支配的となるためである。また、薄膜ヒーター１１０または１３０の加熱温度と比例して、複屈折の絶対値が大きくなっている。
【００１５】
薄膜ヒーター１１０の加熱温度Ｔ_１のみ上昇させるだけでは光導波路１０の複屈折は正に大きくなってしまい、それに伴いＰＤＬも増大してしまう。薄膜ヒーター１１０の加熱温度Ｔ_１と比例して、薄膜ヒーター１３０の加熱温度Ｔ_２を上昇させれば、光導波路１０の複屈折の増加分を低減させることができる。図１の構成の平面導波路型光デバイス１においては、Ｔ_２＝２．３３×Ｔ_１の関係を保ちながら温度調整を行えば、複屈折を零に維持することができる。これによって、ＰＤＬの劣化を抑制することが可能となる。
【００１６】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、本発明に係る第二の実施形態である平面導波路型光デバイス２の構成図である。図３（Ａ）は、全体平面図である。平面導波路型光デバイス２は、基板１００と、基板上に形成されたクラッド７０内に平行に埋設された２本の光導波路１０、２０と、これらの光導波路１０、２０を両端の位置で結合させる２つの光結合部５０、６０と、これらの光結合部５０、６０に結合する光入力部４、光出力部５を有する。クラッド７０の表面には、光導波路１０、２０に沿って設けられ光導波路１０、２０の光路長を調整する薄膜ヒーター１１０、１２０が配置されている。これらの薄膜ヒーター１１０、１２０の近辺には、光伝搬作用を有しない光導波路３０、４０がクラッド７０内に埋設され、同時にクラッド７０の表面に光導波路３０、４０を加熱する薄膜ヒーター１３０、１４０が配置されている。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の線分ＡＡ’における拡大断面図である。
【００１７】
本発明に係る第一の実施形態と同様に、薄膜ヒーター１１０の加熱温度Ｔ_１と比例して、薄膜ヒーター１３０の加熱温度Ｔ_２を上昇させれば、光導波路１０の複屈折の増加分を低減させることができる。また、薄膜ヒーター１２０の加熱温度Ｔ_３と比例して、薄膜ヒーター１４０の加熱温度Ｔ_４を上昇させれば、光導波路２０の複屈折の増加分を低減させることができる。これによって、マッハツェンダ干渉計を有する平面導波路型光デバイス２におけるＰＤＬの劣化を抑制することが可能となる。
【００１８】
図４（Ａ）、（Ｂ）は、本発明に係る第三の実施形態である平面導波路型光デバイス３の構成図である。図４（Ａ）は、全体平面図である。平面導波路型光デバイス３は、基板１００と、基板上に形成されたクラッド７０内に埋設された複数のアレイ状光導波路２１０、２１１〜２２０、アレイ状光導波路２１０、２１１〜２２０を両端の位置で結合させる２つのスラブ導波路２５０、２６０と、スラブ導波路２５０、２６０に結合する光入力部４、光出力部５〜９からなるアレイ導波路型回折格子を有する。なお、図４においては、複数のアレイ状光導波路２１０、２１１および２２０を表示しているが、実際には必要に応じてより多くのアレイ状光導波路が設けられる。また、光入出力部についても同様に、４、５および９以外にも複数の光入出力部が設けられる。クラッド７０の表面には、光導波路２１０、２１１〜２２０に沿って設けられ光導波路の光路長を調整する薄膜ヒーター３１０、３１１〜３２０が配置されている。薄膜ヒーター３１０、３１１〜３２０の近辺には、光伝搬作用を有しない光導波路２３０、２３１〜２４０がクラッド７０内に埋設され、同時に光導波路２３０、２３１〜２４０を加熱する薄膜ヒーター３３０、３３１〜３４０が配置されている。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の線分ＡＡ’における拡大断面図である。
【００１９】
薄膜ヒーター３１０、３１１〜３２０の加熱温度Ｔ_１と比例して、薄膜ヒーター３３０、３３１〜３４０の加熱温度Ｔ_２を上昇させれば、光導波路２１０、２１１〜２２０の複屈折の増加分を低減させることができる。これによって、アレイ導波路型回折格子を有する平面導波路型光デバイス３におけるＰＤＬの劣化を抑制できる。
【００２０】
図１、図３においては、光結合部としてＹ分岐を用いたマッハツェンダ干渉計を有する平面導波路型光デバイスに関して説明したが、本発明の内容はこれに限定されることなく、例えば、方向性結合器を用いたマッハツェンダ干渉計等にも適用可能である。
【００２１】
また、図３においてはアレイ状光導波路およびスラブ導波路を有する平面導波路型光デバイスに関して説明したが、本発明の内容はこれに限定されることなく、複数の光導波路と、複数の光導波路をそれぞれ異なる位置で結合させる２つの光結合部を有する平面導波路型光デバイスに適用可能である。
【００２２】
本発明の平面導波路型光デバイスの作製は、例えば以下のように実施される。
石英ガラス基板の上に、厚み７μｍ程度で比屈折率差０．４５％程度のＧｅＯ_２が添加されたコア層を成膜した後、フォトリソグラフィー・反応性イオンエッチングによって、図１或いは図３または図４で示すようなコア形状パターンを加工する。次に、厚み３０μｍ程度のクラッド層を成膜する。その後に、クラッド層の上部全体にクロム薄膜を蒸着した後に、フォトリソグラフィー・反応性イオンエッチングによって、光導波路の上部に薄膜ヒーターを形成する。最後に、基板をチップ形状に切断して平面導波路型光デバイスが得られる。薄膜ヒーターの加熱温度は、薄膜ヒーターに通電させる電流または電圧を調整することによって制御することができる。
【００２３】
上記の作製方法のように、光伝搬作用を有しない光導波路およびその光導波路を加熱する薄膜ヒーターは、光伝搬作用を有する主要な光導波路およびその光導波路の光路長を調整する薄膜ヒーターと同時に形成できるために、余分な作製工程を必要としない。
【００２４】
使用する導波路基板は、石英ガラス以外にも上層にガラス薄膜が成膜されたシリコン、アルミナ、または多成分ガラス等が適用可能である。また、コアおよびクラッドから構成される光導波路の材質として石英系ガラスの他に、半導体系またはポリマー系でも構わない。また、薄膜ヒーターの材質として、クロム以外にも窒化タンタル等が使用される。
【００２５】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。実施形態では熱光学位相シフタとして薄膜ヒーターを用いたが、薄膜ヒーターに替えてペルチェ素子などであっても良い。
【００２６】
また、本発明は、光パワーの減衰量または光パワーの波長依存性を変えたりする平面導波路型光デバイスに限定されるものではなく、光パワーの切り替え等の機能を有する平面導波路型光デバイスであっても良い。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、光学特性に関して良好な偏波依存性を有していて、製造時間が短く、かつ機械的強度の強い平面導波路型光デバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、本発明に係る第一の実施形態である平面導波路型光デバイス１の構成を示す全体平面図である。（Ｂ）は（Ａ）の線分ＡＡ’における拡大断面図である。
【図２】図１において、熱光学位相シフタ１１０、１３０の加熱温度と光導波路１０における複屈折との関係を示すグラフである。
【図３】（Ａ）は、本発明に係る第二の実施形態である平面導波路型光デバイス２の構成を示す全体平面図である。（Ｂ）は（Ａ）の線分ＡＡ’における拡大断面図である。
【図４】（Ａ）は、本発明に係る第三の実施形態である平面導波路型光デバイス３の構成を示す全体平面図である。（Ｂ）は（Ａ）の線分ＡＡ’における拡大断面図である。
【符号の説明】
１、２、３：平面導波路型光デバイス
４：光入力部
５〜９：光出力部
１０、２０：光導波路
３０、４０：光伝搬作用を有しない光導波路
５０、６０：光結合部
７０：クラッド部
１００：基板
１０１：マッハツェンダ干渉計
１０２：アレイ導波路型回折格子
１１０、１２０、１３０、１４０：薄膜ヒーター（熱光学位相シフタ）
２１０〜２２０：アレイ状光導波路
２３０〜２４０：光伝搬作用を有しないアレイ状光導波路
２５０、２６０：スラブ導波路
３１０〜３２０、３３０〜３４０：薄膜ヒーター（熱光学位相シフタ）

Claims

基板と、該基板に設けられた複数の光導波路と、それぞれが光入出力部を有すると共に該複数の光導波路を結合させる２つの光結合部と、該２つの光結合部の間の前記光導波路の少なくとも一部に設けられ該光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタとを具備する平面導波路型光デバイスであって、前記光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの近辺には、光伝搬作用を有しない光導波路および該光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタとが配置されており、前記光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱温度を上昇させる際に、前記光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタの加熱温度を上昇させることにより、前記光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱により生じる前記光導波路の複屈折の増加分を低減することを特徴とする平面導波路型光デバイス。
基板上に２本の光導波路および該２本の光導波路をそれぞれ異なる位置で結合させる２つの光結合部からなるマッハツェンダ干渉計が設けられ、前記２本の光導波路の少なくとも一方に設けられ該光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタとを具備する平面導波路型光デバイスであって、前記マッハツェンダ干渉計の外側には、前記光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタに隣接して、光伝搬作用を有しない光導波路および該光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタとが配置されており、前記光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱温度を上昇させる際に、前記光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタの加熱温度を上昇させることにより、前記光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱により生じる前記光導波路の複屈折の増加分を低減することを特徴とする平面導波路型光デバイス。
基板上に複数のアレイ状光導波路および該アレイ状光導波路をそれぞれ異なる位置で結合させる２つのスラブ導波路からなるアレイ導波路型回折格子が設けられ、前記アレイ状光導波路に設けられ該アレイ状光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタとを具備する平面導波路型光デバイスであって、前記アレイ状光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタに隣接して、光伝搬作用を有しないアレイ状光導波路および該光伝搬作用を有しないアレイ状光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタとが配置されており、前記アレイ状光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱温度を上昇させる際に、前記光伝搬作用を有しないアレイ状光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタの加熱温度を上昇させることにより、前記アレイ状光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱により生じる前記アレイ状光導波路の複屈折の増加分を低減することを特徴とする平面導波路型光デバイス。
前記光導波路の光路長を調整する熱光学位相シフタの加熱温度と比例させて、前記光伝搬作用を有しない光導波路の少なくとも一部を加熱する熱光学位相シフタの加熱温度を制御することを特徴とする請求項１ないし３記載の平面導波路型光デバイス。