JP4667927B2

JP4667927B2 - アレイ導波路回折格子型光合分波器

Info

Publication number: JP4667927B2
Application number: JP2005100631A
Authority: JP
Inventors: 一孝奈良; 淳一長谷川
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006284632A

Description

本発明は、例えば波長多重光通信において光合分波器として用いられるアレイ導波路回折格子型光合分波器に関するものである。

アレイ導波路回折格子型光合分波器(以下ＡＷＧモジュールとする)は、一般に石英系ガラスで構成されているため、その屈折率温度依存性に起因した温度変動が発生する。具体的には、ＡＷＧモジュールの透過中心波長に温度依存性が生じ、通常使用される環境温度(例えば−５℃〜７０℃)において約１．０ｎｍ程度、中心波長が変動する。この中心波長の変動量は、Ｄ−ＷＤＭシステムにおいては致命的となる。このため、ＡＷＧモジュールは、一般的に、モジュール全体をヒーター、ペルチェ素子で温調して使用される。

一方、非特許文献１、非特許文献２に示されるように、中心波長の温度依存性を温調方式以外で補償する温度無依存型ＡＷＧモジュールが開発されている。この温度無依存型ＡＷＧモジュールは、温調方式では必須であった給電を不要としている。
A.Kaneko, S.kamei, Y.Inoue, H.Takahashi, A.Sugita,"Athermal silica-based arrayed-waveguide grating(AWG) multi/demultiplexers with new low loss groove design," Electron Lett., vol.36, pp318-319, 2000 T.Saito, K.Nara, Y.Nekado, J.Hasegawa, K.Kashihara, "100GHz-32ch athermal AWG with extremely low temperature dependency of center wavelength," OFC'03 MF47, pp57-59, 2003

近年、ブロードキャストサービスとpoint-to-point伝送を同時に実現できるＷＤＭ−ＰＯＮシステムの検討が進められており、本システムでは、従来のＰＯＮシステムで使用されている光スプリッタと同様に、ＡＷＧモジュール自体が屋外で使用される場合がある。この場合、ＡＷＧモジュールの使用環境温度範囲は、従来の局内での−５℃〜７０℃よりも広範囲となり、具体的には、−４０℃〜８５℃程度が要求される場合がある。

図７の鎖線で示すように、ＡＷＧモジュールは、透過中心波長が温度によりシフトする温度依存性を有する。このため、非特許文献１、２に記載された従来のＡＷＧモジュールは、銅製の連結部材の熱膨張特性により、一方のスラブ導波路を移動させ、図７の実線で示すように、透過中心波長のシフトの温度依存性を補償させる構成としている。

図７からわかるように、ＡＷＧモジュールの温度変化に対する透過中心波長のシフト量は、フラット状にシフトするのではなく（直線的にシフトするのではなく）、わずかに下に凸の湾曲状にシフトする（曲線的にシフトする）。

従来のＡＷＧモジュールでは、この曲線的にシフトする透過中心波長のシフト量（図７の鎖線）を、銅製の連結部材の熱膨張特性（図７の実線）により補償していた。つまり、従来のＡＷＧモジュールでは、連結部材の温度依存性が直線的に変化するのに対し、ＡＷＧモジュールの温度依存性は曲線的に変化するので、透過中心波長のシフトを完全に補償することができないという問題がある。

さらに、上述した従来のＰＯＮシステムでは、使用環境温度範囲が−５℃〜７０℃であるため、温度変化による透過中心波長のシフト量を完全に補償出来なかったとしても、その補償出来ない量は±０．０１ｎｍ程度であり、問題なく対応できていた。しかしながら、今後、導入されるＷＤＭ−ＰＯＮシステムでは、使用環境温度範囲が−４０℃〜８５℃であり、従来の連結部材を用いたＡＷＧモジュールでは、補償出来ない量は±０．０４ｎｍ程度となる。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、透過中心波長のシフトの温度依存性を、より精度良く補償することができるＡＷＧモジュールを提供することにある。

本発明の第一の態様によれば、１本以上の並設された第１光導波路の出射側に第1スラブ導波路が接続され、該第１スラブ導波路の出射側には互いに異なる長さの複数本の並設されたアレイ導波路が接続され、該複数本のアレイ導波路の出射側には第２スラブ導波路が接続され、該第２スラブ導波路の出射側には複数本の並設された第２光導波路が接続されてなる導波路構成が形成されたアレイ導波路回折格子型光合分波器において、前記第１スラブ導波路及び第２スラブ導波路の少なくとも一方を、スラブ導波路を通る光の経路と交わる交差分離面によって分離して複数の導波路チップに分離させ、各々の導波路チップを連結部材により連結させ、該連結部材は、実質的に熱膨張係数が温度の一次関数で表され、分離された前記スラブ導波路の少なくとも一方側を前記分離面に沿って温度に依存して前記温度の一次関数で表された熱膨張係数に従った膨張または伸縮により移動させることにより、各光透過中心波長の温度依存変動を低減する方向に前記光透過中心波長をシフトさせることを特徴とする。

上記第一の態様では、熱膨張係数が温度の一次関数で表される連結部材により、入力導波路チップと出力導波路チップが連結される。このため、第１スラブ導波路、第２スラブ導波路の少なくとも一方で発生する透過中心波長のシフトの温度依存性と同様に、入力導波路チップもしくは出力導波路チップの少なくとも一方を、移動させることができる。

本発明の第二の態様によれば、上述した連結部材は、アルミニウムを含む合金であることを特徴とする。

上記第二の態様によれば、石英系ガラスから構成されるＡＷＧモジュールからなる透過中心波長のシフトの温度依存性に対し、この温度依存性を補償するために、入力導波路チップもしくは出力導波路チップの少なくとも一方を、より精度良く移動させることができる。

本発明によれば、複数の導波路チップは、熱膨張係数が温度の一次関数で表される連結部材により連結されているので、ＡＷＧモジュールの透過中心波長のシフト量と、導波路チップを移動させることによる透過中心波長の補償量とを、ほぼ一致させることができる。この結果、ＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性をより低減することができる。

また、本発明によれば、従来よりも広範囲の使用環境温度において、ＡＷＧモジュールの透過中心波長のシフト量と、導波路チップを移動させることによる透過中心波長の補償量とを、ほぼ一致させることができる。この結果、ＡＷＧモジュールの使用温度範囲をより大幅に拡大することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

最初に、ＡＷＧモジュールの透過中心波長シフトについて、下に凸の湾曲した温度依存性の原因を説明する。まず、透過中心波長シフトの温度依存性について、屈折率の温度係数に着目した。石英系ガラスの屈折率の温度係数ｄｎ/ｄＴは、実際は温度に対して一定値ではなく、温度の関数となっている。つまり温度係数ｄｎ/ｄＴは、温度に対して一定値ではないことが、文献「J.Matsuoka,N.Kitamura,S.Fujinage,T.Kitaoka,H.Yamashita,“Temperature dependence of refractive index of SiO₂ glass”,J.Non-Cryst.Sol.,vol.135,pp.86-89,1991.」で報告されている。この文献によれば、石英系ガラスの屈折率は、波長依存性、温度依存性を含め，以下の数1で与えられる。

ここで、ｈ：プランク定数、ｃ：光速、λ：波長、ａ_ｉ、ｂ_ｉは以下の数２、表１で与えられる。

数１、数２を用いて計算した石英系ガラスの屈折率の温度係数ｄｎ/ｄＴを図１に示す。この図１からわかるように、温度係数は温度に対し一定値ではなく、ほぼ温度の一次関数となっている。

次にＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性について計算を行う。対象とするＡＷＧモジュールは表２のパラメータをもつ100GHz-42chセミフラットタイプとした。なお、表２に記載の屈折率の値は、室温時（２０℃）の値である。

表２のパラメータを用いて、ＡＷＧモジュールの透過中心波長λは以下の数３で与えられる。

数１〜数３を用いてＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性を計算した。なお、上述した非特許文献２には、温度無依存型ＡＷＧモジュールの温度依存性の補償手法について記載されている。この文献では、銅製の連結部材を使用し、銅の熱膨張率を利用して、直線的に温度補償をしている構成が紹介されている。

現在の温度無依存型ＡＷＧモジュールでは、使用環境温度範囲が−５℃〜７０℃程度なので、このモジュールを設計する際、−５℃〜７０℃で透過中心波長の温度変化が無くなるように直線の傾きを調整している。これらをもとに、ＡＷＧモジュールの透過中心波長シフトの温度依存性、銅製の連結部材を使用した温度補償、さらにはそれらから求められる温度無依存型ＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性の計算結果をまとめた。その結果を図２に示す。いずれの場合も、２０℃で設計波長に合致するように規格化した。

図２からわかるように、温度補償後でも、低温域及び高温域において、わずかながら透過中心波長の変化が見られる。その変化量が実測の温度無依存型ＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性と一致するかどうかを調べた。その結果を図３に示す。図３は、温度無依存型ＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性の計算結果と、測定結果の比較を示したものである。

図３より、非常に良好な一致が確認された。この結果から、温度無依存型ＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性が下に凸の湾曲した形状となる原因は、ＡＷＧモジュールを構成する石英系ガラスの屈折率温度係数ｄｎ/ｄＴ自体が温度により変化することが主要因であることがわかった。

上述から、銅製の連結部材を用いた構造では、本質的に下に凸の湾曲した温度依存性が残留することがわかった。この原因は、ＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性が湾曲状であるのに対し、銅板の温度補償（温度依存性）は直線状に変化するからである。

そこで、ＡＷＧモジュールの透過中心波長シフトの温度依存性と一致するような温度補償特性（熱膨張率の温度依存性）を有する連結部材を用いれば、ＡＷＧモジュールを限りなく温度無依存化に近付けることができる。以下に、そのような特性を有する連結部材に要求される熱膨張率特性がどのようなものかを算出する。

まず、温度無依存型ＡＷＧモジュールで使用する位置補償量ｄｘは、表1に示すＡＷＧモジュールの回路パラメータを用いて以下の数４で与えられる。

数４を用いて、温度に対する位置補償量ｄｘを計算した結果を図４に示す。屈折率の温度係数は、図１から、温度の一次関数で表されることから、屈折率の温度依存性は二次関数で表すことができる。このため、数３より波長シフト量ｄλも同様の変化をすると考えられる。よって、数４よりｄｘも二次関数的な変化をすると考えられる。そこで、最小自乗法にてｄｘを温度Ｔに対し二次関数で回帰した結果を以下の数５に示す。

続いて、連結部材に要求される熱膨張特性を計算する。ここで、実用的な長さの連結部材を得るために、例えばアルミニウムをベースとした合金で接続することを考える。その熱膨張係数α_ｃを算出した。

ここで、Ｘ：連結部材の長さ(アルミニウム合金で15.6mm)である。この数６を満たす材料の連結部材があれば、ＡＷＧモジュールを限りなく温度無依存化にすることが可能となる。上述のように、連結部材に必要な熱膨張係数は一定値でなく，温度の一次関数で表されなければならないことがわかる。

〔第１実施形態〕
次に図５を参照し、ＡＷＧモジュールの第一実施形態について説明する。
ＡＷＧモジュールは、図５に示すＡＷＧチップと、図示しないが例えば、ＡＷＧチップの四隅に、導波路ゴム等の緩衝部材を配置させ、パッケージに収容されて構成される。なお、パッケージは、必要に応じて、フタを閉め、溶接等により固定した後、マッチングオイルを充填し、密封される。

図５に示すＡＷＧチップは、例えばシリコンなどの基板１上に石英系ガラスの導波路チップ１０を形成することにより得られる。ＡＷＧチップの導波路構成は、１本以上の光入力導波路２と、該光入力導波路２の出射側に接続された第１のスラブ導波路３と、該第１のスラブ導波路３の出射側に接続されたアレイ導波路４と、該アレイ導波路４の出射側に接続された第２のスラブ導波路５と、該第２のスラブ導波路５の出射側に複数並設接続された光出力導波路６とを有している。

前記アレイ導波路４は、第１のスラブ導波路３から導出された光を伝搬するものであり、複数のチャンネル導波路４ａを並設して形成されており、隣り合うチャンネル導波路４ａの長さは互いに設定量（ΔＬ）だけ異なっている。

なお、光出力導波路６は、例えばアレイ導波路回折格子によって分波あるいは合波される互いに異なる波長の信号光の数に対応させて設けられるものであり、アレイ導波路４を構成するチャンネル導波路４ａは、通常、例えば１００本といったように多数設けられるが、同図においては、図の簡略化のために、これらのチャンネル導波路４ａ、光出力導波路６および光入力導波路２の各々の本数を簡略的に示してある。

光入力導波路２には、例えば送信側の光ファイバ（図示せず）が接続されて、波長多重光が導入されるようになっており、光入力導波路２を通って第１のスラブ導波路３に導入された光は、その回折効果によって広がってアレイ導波路４に入射し、アレイ導波路４を伝搬する。

このアレイ導波路４を伝搬した光は、第２のスラブ導波路５に達し、さらに、光出力導波路６に集光されて出力されるが、アレイ導波路４の全てのチャンネル導波路４ａの長さが互いに異なることから、アレイ導波路４を伝搬した後に個々の光の位相にずれが生じ、このずれ量に応じて集束光の波面が傾き、この傾き角度により集光する位置が決まる。

そのため、波長の異なった光の集光位置は互いに異なることになり、その位置に光出力導波路６を形成することによって、波長の異なった光を波長ごとに異なる光出力導波路６から出力することができる。

すなわち、アレイ導波路回折格子は、光入力導波路２から入力される互いに異なる複数の波長をもった多重光から１つ以上の波長の光を分波して各光出力導波路６から出力する光分波機能を有しており、分波される光の中心波長は、アレイ導波路４の隣り合うチャンネル導波路４ａの長さの差（ΔＬ）及びチャンネル導波路４ａの実効屈折率（等価屈折率）ｎ_ｃに比例する。

アレイ導波路回折格子は、上記のような特性を有するために、アレイ導波路回折格子を波長多重伝送に適用する光分波用の光透過デバイスとして用いることができる。例えば図５に示すように、１本の光入力導波路２から波長λ１，λ２，λ３，・・・λｎ（ｎは２以上の整数）の波長多重光を入力させると、これらの各波長の光は、第１のスラブ導波路３で広げられ、アレイ導波路４に到達し、第２のスラブ導波路５を通って、前記の如く、波長によって異なる位置に集光され、互いに異なる光出力導波路６に入射し、それぞれの光出力導波路６を通って、光出力導波路６の出射端から出力される。

そして、各光出力導波路６の出射端に光出力用の光ファイバ（図示せず）を接続することにより、この光ファイバを介して、前記各波長の光が取り出される。なお、各光出力導波路６や前述の光入力導波路２に光ファイバを接続するときには、例えば光ファイバの接続端面を１次元アレイ状に配列固定した光ファイバアレイを用意し、この光ファイバアレイを光出力導波路６や光入力導波路２の接続端面側に固定して光ファイバと光出力導波路６及び光入力導波路２を接続する。

また、アレイ導波路回折格子は、光回路の相反性（可逆性）の原理を利用しているため、光分波器としての機能と共に、光合波器としての機能も有している。すなわち、図５とは逆に、各光出力導波路６から互いに波長が異なる複数の光を入射させると、これらの光は、上記と逆の伝搬経路を通り、アレイ導波路４と第１のスラブ導波路３とによって合波され、１本の光入力導波路２から出射される。

上記機能を有するアレイ導波路回折格子チップを作製するときには、例えば、まず、火炎加水分解堆積法を用いて、シリコン基板上に下部クラッド膜、コア膜を順に形成し、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチング法を用い、コア膜にアレイ導波路回折格子パターンを転写する。その後、再度、火炎加水分解堆積法を用いて上部クラッド膜を形成する。

図５に示すＡＷＧチップは、第１のスラブ導波路３を、第１のスラブ導波路３を通る光の経路と交わる交差分離面８によって分離している。交差分離面８は導波路チップ１０の一端側（図５の上端側）から導波路チップ１０の途中部にかけて設けられており、この交差分離面８に連通させて、第１のスラブ導波路３と交差しない非交差分離面１８が形成されている。非交差分離面１８は交差分離面８と直交して設けられている。なお、非交差分離面１８は交差分離面８と直交しなくてもよく、同図は直交している態様を記載している。

そして、本実施形態例では、交差分離面８と非交差分離面１８とによって、導波路チップ１０を、一方側の分離スラブ導波路３ａを含む第１の導波路チップ１０ａと、他方側の分離スラブ導波路３ｂを含む第２の導波路チップ１０ｂとに分離している。

前記第１の導波路チップ１０ａと第２の導波路チップ１０ｂとに跨る態様で、実質的に熱膨張係数が温度の一次関数で表される連結部材１７が設けられている。本実施形態例は、この連結部材１７により、温度に依存して、第１の導波路チップ１０ａを第２の導波路チップ１０ｂに対して、交差分離面８に沿ってスライド移動させる構成と成している。

また、本実施形態例では、連結部材１７を導波路チップ１０ａ，１０ｂの表面上に、導波路チップ１０ａと導波路チップ１０ｂに跨る態様で設けることにより、前記導波路チップ１０ａのスライド移動時に、導波路チップ１０ａが前記ベース９に対して上方側（ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向）に変位することを抑制している。

分離されたＡＷＧチップは、上述のように連結部材１７で連結されているが、その連結部材１７は、アルミニウム合金1080を用いている。アルミニウム合金1080の熱膨張係数は、以下の数７で表される。なお、本実施例では連結部材の長さを１５．３ｍｍに設定した。

図６は、図５に示すＡＷＧチップを有するＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性と、従来の温度無依存型ＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性を示すものである。この図６から明らかなように、従来のＡＷＧモジュールでは、-40〜85℃の使用環境において、透過中心波長の補償ずれが±0.04nm程度、発生していた。しかしながら、本発明を適用することにより、透過中心波長の補償ずれは±0.015nm以下と大幅に低減されていることがわかる。

石英系ガラスの屈折率の温度係数ｄｎ/ｄＴを示すグラフである。温度無依存型ＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性の計算結果を示すグラフである。温度無依存型ＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度特性の計算結果と測定結果の比較を示すグラフである。本実施形態に係る屈折率温度依存性ｄｎ/ｄＴの温度依存性を考慮に入れた温度無依存型ＡＷＧモジュールの位置補償量ｄｘの計算結果を示すグラフである。第１実施形態に係るＡＷＧチップの一構成例を示す概略構成図である。第１実施形態の透過中心波長の温度依存性を示すグラフである。従来のＡＷＧモジュールの透過中心波長の温度依存性を示すグラフである。

符号の説明

１基板
２光入力導波路
３第１のスラブ導波路
３ａ，３ｂ分離スラブ導波路
４アレイ導波路
４ａチャンネル導波路
５第２のスラブ導波路
６光出力導波路
８交差分離面
１０，１０ａ，１０ｂ導波路チップ
１７連結部材
１８非交差分離面
２０溝

Claims

１本以上の並設された第１光導波路の出射側に第1スラブ導波路が接続され、該第１スラブ導波路の出射側には互いに異なる長さの複数本の並設されたアレイ導波路が接続され、該複数本のアレイ導波路の出射側には第２スラブ導波路が接続され、該第２スラブ導波路の出射側には複数本の並設された第２光導波路が接続されてなる導波路構成が形成されたアレイ導波路回折格子型光合分波器において、
前記第１スラブ導波路及び第２スラブ導波路の少なくとも一方を、スラブ導波路を通る光の経路と交わる交差分離面によって分離して複数の導波路チップに分離させ、各々の導波路チップを連結部材により連結させ、
該連結部材は、実質的に熱膨張係数が温度の一次関数で表され、分離された前記スラブ導波路の少なくとも一方側を前記分離面に沿って温度に依存して前記温度の一次関数で表された熱膨張係数に従った膨張または伸縮により移動させることにより、各光透過中心波長の温度依存変動を低減する方向に前記光透過中心波長をシフトさせることを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波器。
前記第１光導波路、前記第１スラブ導波路、前記アレイ導波路、前記第２スラブ導波路、および第２光導波路は石英系ガラスを含み、
前記連結部材は、−４０℃〜８５℃の温度範囲において、前記石英系ガラスの透過中心波長の温度依存性とほぼ一致する熱膨張率の温度依存性を有することを特徴とする請求項１に記載のアレイ導波路回折格子型光合分波器。
前記連結部材は、アルミニウムを含む合金であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ導波路回折格子型光合分波器。