JP5126386B2 - 導波路型可変光減衰器 - Google Patents

Description

本発明は、光通信分野で広く用いられている導波路型可変光減衰器に関する。

一般に、光通信分野においては、光を減衰させるための光導波路として導波路型可変光減衰器が広く用いられている。

従来、この種の導波路型可変光減衰器には、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すようなものが提案されている（特許文献１参照）。この導波路型可変光減衰器につき、図１０（ａ）及び（ｂ）を用いて説明すると、図１０（ａ）及び（ｂ）において、符号９１で示す導波路型可変光減衰器（導波路型光部品）は、所定の間隔をもって並列する入力側Ｙ分岐導波路９２・出力側Ｙ分岐導波路９３及びこれら両Ｙ分岐導波路９２，９３を繋ぐ２つのアーム導波路９４，９５を用いてマッハツェンダ型光干渉系を形成するとともに、この干渉系のアーム導波路９４，９５のうち一方のアーム導波路９４を加熱するための位相シフタとなるヒータ９６及びこのヒータ９６に電圧を印加するための電極９７，９８を形成し、かつ両アーム導波路９４，９５間にアーム導波路９５にヒータ熱を伝えないための凹溝９９を形成することにより構成されている。

このような導波路型可変光減衰器９１においては、ヒータ９６に電圧を印加すると、アーム導波路９４が加熱され、このアーム導波路９４の屈折率を変化させる。これにより、両アーム導波路９４，９５を伝搬する伝搬光は、みかけ上光路長差が付く（熱光学効果により伝搬光の位相が変化する）ことから、ヒータ９６への印加電圧を変化させて光信号の強度を任意に制御することができる。

また、図１１に示すように、従来の導波路型可変光減衰器（光スイッチ）１００には、基板１０１内に一部を除いて埋設された導波路１０２と、この導波路１０２を覆うように基板１０１上にバッファ層１０３を介して配設されたヒータ１０４と、このヒータ１０４を覆う絶縁層１０５と、ヒータ１０４に対応する領域に配設された放熱用突起１０６とからなるものも提案されている（特許文献２参照）。

このような導波路型可変光減衰器においては、ヒータ１０４がＯＮ状態で発生したヒータ熱がＯＦＦ状態で放熱用突起１０６から強制的に放散され、これにより高速スイッチングが可能な光スイッチング素子を得ることができる。

ところで、この種の導波路型可変光減衰器を光通信用デバイスとして使用する場合、その応答時間として相当に高い応答時間（１０ｍｓｅｃ以下）が要求される。

特開２００３−８４２５２号公報 特許第２６８７３６２号公報

しかし、前者（特許文献１）にあっては、２つのアーム導波路９４，９５のうち一方のアーム導波路９４をヒータ９６によって単に加熱するものであるため、所望の応答時間を得ることができない。

一方、後者（特許文献２）にあっては、放熱用突起１０６によってヒータ１０４からの発生熱を放熱用突起１０６から放散させて光スイッチとしての高速化を実現しているものの、光導波路１０２をヒータ１０４によって単に加熱するものであるため、この場合も特許文献１に示す導波路型可変光減衰器と同様に所望の応答時間を得ることができない。

そこで、本発明者は、光干渉系を用いた導波路型可変光減衰器において応答時間を高めることの検討を開始したが、その過程で２つのアーム導波路を熱的に接続すると、ヒータへの電圧印加開始から所定の光減衰量となる（２つのアーム導波路間の温度差が所定の温度差に到達する）までの時間を短縮できることを見出した。

従って、本発明の目的は、ヒータへの電圧印加開始から所定の光減衰量となるまでの時間を短縮することができ、もって所望の応答時間を得ることができる導波路型可変光減衰器及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、光信号伝搬用の導波路を形成するための基板と、前記基板の表面に配設されて、前記導波路の一部を構成する２本のアーム導波路及び前記アーム導波路と前記基板の表面とを覆うクラッドからなる導波路素子と、前記導波路素子の表面に配設され前記アーム導波路を加熱するためのヒータとを備えた導波路型可変光減衰器において前記ヒータは、前記２本のアーム導波路のうち一方のアーム導波路側に対向して設けられ、前記２本のアーム導波路は、熱的に接続されており、前記２本のアーム導波路間の中央部間寸法Ｌは、高熱伝導部材を用いることなく、前記ヒータへの電圧印加を開始してから１０ｍｓｅｃ以内に、前記２本のアーム導波路がそれぞれ加熱され、かつ、所定の温度差となる寸法であることを特徴とする導波路型可変光減衰器を提供する。

本発明によると、ヒータへの電圧印加開始から所定の光減衰量となるまでの時間を短縮することができ、所望の応答時間を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器を説明するために示す上面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器のアーム導波路におけるヒータ通電時の温度分布を示すグラフ。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器の熱応答に関し、等価回路に置き換えた場合について説明するために示す断面図と等価回路図。 本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器における光損失と応答時間との関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器において用いた高熱伝導性部材の熱伝導率と応答時間との関係を示すグラフ。 本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器の変形例（１）を説明するために示す断面図。 本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器の変形例（２）を説明するために示す平面図。 本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器の変形例（３）を説明するために示す平面図。 （ａ）及び（ｂ）は、従来の導波路型可変光減衰器（１）を説明するために示す平面図とそのＢ−Ｂ断面図。 従来の導波路型可変光減衰器（２）を説明するために示す斜視図。

[実施の形態]
図１は、本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器を説明するために示す上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。

〔導波路型可変光減衰器の全体構成〕
図１及び図２において、符号１で示す導波路型可変光減衰器は、光信号伝搬用の導波路９を形成するための基板２と、導波路９及びクラッド８からなる光導波路素子３と、位相シフタとなるヒータ（好ましくは薄膜ヒータ）４と、電圧供給用の電極５，６と、高熱伝導性部材であるチップ７とから大略構成されている。

（基板２の構成）
基板２は、全体が石英製の矩形板によって形成され、その上面に光導波路素子３及びヒータ４・電極５，６・チップ７を実装するように構成されている。

（光導波路素子３の構成）
光導波路素子３は、図１及び図２に示すように、クラッド８及び導波路９（コア径８μｍ）からなり、基板２上に配設されている。クラッド８は、ＳｉＯ₂膜によって形成され、導波路９を覆うように構成されている。導波路９は、所定の間隔をもって互いに並列する入力側Ｙ分岐導波路９Ａ・出力側Ｙ分岐導波路９Ｂ及びこれら両Ｙ分岐導波路９Ａ，９Ｂを繋ぐ２本のアーム導波路９Ｃ，９Ｄを有するマッハツェンダー干渉計からなり、比屈折率差０．３％となるＧｅドープＳｉＯ₂層によって形成されている。両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の中央部間寸法Ｌ（図９参照）は、その光学特性の影響を互いに受ける（例えば光が結合する）ようになる間隔と同程度又はそれ以上の間隔をもって配置されている。ここでは、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の中央部間寸法Ｌは、両アーム導波路間寸法のうち最大の寸法に設定されている。

（ヒータ４の構成）
ヒータ４は、図１及び図２に示すように、クラッド８上に配設され、アーム導波路９Ｃ，９Ｄのうち例えば一方のアーム導波路９Ｃの中央部を被覆して加熱するように構成されている。ヒータ４の抵抗値は３００Ω程度に設定されている。なお、ヒータ４は、一方のアーム導波路９Ｃの中央部を被覆して加熱する代わりに、他方のアーム導波路９Ｄの中央部を被覆して加熱するような構成としてもよい。

（電極５，６の構成）
電極５，６は、図１に示すように、クラッド８上に配設され、かつヒータ４に接続されている。そして、ヒータ４に電源電圧を供給するように構成されている。

（チップ７の構成）
チップ７は、図１及び図２に示すように、クラッド８上にヒータ４を介在させ接着剤１０によって配設（接着）され、かつ両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ周辺の領域に跨る（両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ及びこれら両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の領域を覆う）ような位置に配置され、熱伝導率を１６０Ｗ／ｍＫとするＳｉ（シリコン）からなる平面矩形状の高熱伝導性部材によって形成されている。そして、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄを熱的に接続し、導波路型可変光減衰器１の応答時間を短縮するように構成されている。チップ７の平面サイズ（縦横寸法）は、アーム導波路９Ｃ，９Ｄの中央部及びヒータ４を覆うような縦横寸法（例えば縦３９．６ｍｍ，横５．６ｍｍ）に設定されている。また、チップ７の厚さは、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の熱伝導が効率的に行われるに十分な寸法（例えば１ｍｍ）に設定されている。

なお、チップ７の材料としては、Ｓｉの他に、ＳｉＯ₂（石英ガラス）の熱伝導率１．３Ｗ／ｍＫより十分に高い熱伝導率をもつＡｌ（アルミニウム：熱伝導率２３７Ｗ／ｍＷ）やＣｕ（銅：熱伝導率４０１Ｗ／ｍＫ）が用いられる。また、接着剤１０としては、熱伝導率が比較的高いシリコーン樹脂グリース（１．１Ｗ／ｍＫ）が用いられるが、チップ７とクラッド８との接着を可能にするものであれば、他の材料でもよい。

次に、本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器１の製造方法について説明する。

〔導波路型可変光減衰器１の製造方法〕
先ず、基板２上に導波路９となるＧｅドープＳｉＯ₂膜をＣＶＤ（化学気相成長法）を用いて形成する。次に、フォトリソグラフィ技術などを用いて導波路９（マッハツェンダー干渉計）のパターンをＧｅドープＳｉＯ₂膜に形成した後、ＲＩＥ（リアクティブイオン・エッチング）などのエッチング技術を用いて導波路９を形成する。そして、ＣＶＤなどの成膜技術を用い、導波路９上にクラッド８となるＳｉＯ₂膜を形成する。この後、フォトリソグラフィ及びＲＩＥなどの半導体製造技術を用い、クラッド８上にヒータ４及び電極５，６を形成してから、ヒータ４及び電極５，６の一部・アーム導波路９Ｃ，９Ｄの中央部上方を覆うようにＳｉ製のチップ７を接着剤１０によって接着する。

次に、本実施の形態におけるマッハツェンダー型光干渉回路を用いた導波路型可変光減衰器１の応答時間を決定する伝熱メカニズム（熱応答）について、図３及び図４を参照しながら等価回路を用いて考察する。

図３は、本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器のアーム導波路（図１のＡ−Ａ線付近）におけるヒータ通電時の温度分布を示すグラフである。なお、Ｔ₃はヒータ４を通電しないとき（ヒータ４の非通電時）のアーム導波路９Ｃ，９Ｄの温度で、一般的には雰囲気温度（Ｔa）である。ヒータ通電時にはチップ７によってアーム導波路９Ｄにも伝熱するため、アーム導波路９Ｄの温度をＴ₂とすると、温度Ｔ₂＞Ｔ₃となる。アーム導波路９Ｃはヒータ４の直下付近に配置されているため、アーム導波路９Ｃのヒータ通電時の温度をＴ₁とすると、Ｔ₁＞Ｔ₂＞Ｔ₃となる。この温度差（Ｔ₁−Ｔ₂）を利用して本導波路型可変光減衰器１は光を減衰させる。そして、Ｔ₂＞Ｔ₃であることによって高速スイッチングすることができる。

図４は、本発明の実施の形態に係る導波路型可変光減衰器の熱応答に関し、等価回路に置き換えた場合について説明するために示す図である。図４（ａ）は導波路型可変光減衰器の断面図であり、図４（ｂ）はその等価回路図である。

図４に示すように、２本のアーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の温度差は等価回路において電位差Ｖ₁₂と置き換えることができる。

ヒータ４は、電源からの電圧に応じて特定の熱量を供給するため、その特定熱量を電流Ｉの電源と置き換えることができる。これにより、導波路型可変光減衰器１の消費電力は等価回路における電流Ｉに比例する。

アーム導波路９Ｃはヒータ４からの熱量を自身の熱容量分だけ吸収し、吸収されない熱量をアーム導波路９Ｄ（コア）の周辺領域（コアを含む領域）に熱伝導率に応じて放出する。このため、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の体積がもつ熱容量を静電容量Ｃのコンデンサと、またアーム導波路９Ｃに吸収されない熱量をアーム導波路９Ｄ（コア）の周辺領域（コアを含む領域）に放出する際の熱抵抗（熱伝導率に応じたもの）を抵抗Ｒとそれぞれ置き換えることができる。

ここで、導波路型光干渉回路の熱応答は、アーム導波路９Ｃに電源（電流Ｉ）を接続し、コンデンサＣと抵抗Ｒとを両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間に並列接続した等価回路として置き換えることができる。

導波路型可変光減衰器１の応答時間については、光の減衰出力が両アーム導波路９Ｃ,９Ｄ間の温度差によって決まることから、前記した等価回路においてアーム導波路９Ｄを「０」電位とした場合のアーム導波路９Ｃの電位差Ｖ₁₂の過渡応答特性によって置き換えることができる。

過渡応答の理論により、電位差Ｖ₁₂の応答を求めると次の式で表される。
Ｖ₁₂（ｔ）＝ＩＲ[１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）] 但しτ＝ＲＣ
ここで、τは次定数であり、Ｖ₁₂が最終値の６３．２％の値になるまでの時間に等しい。

よって、τ（＝ＲＣ）の値を小さくすることが等価回路においてＶ₁₂の応答時間を短縮することになる。Ｖ₁₂の応答時間を短縮することは、導波路型可変光減衰器１の両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間において温度差を付ける時間を短縮することになる。すなわち、導波路型可変光減衰器１の応答時間を短縮するためには、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の熱的距離（熱抵抗Ｒ）を小さくすればよい。

Ｖ₁₂の応答時間はτ＝ＲＣで表される。
一方、光減衰器の消費電力は消費電流Ｉ＝Ｖ₁₂／Ｒで表される。
上記２式より、
τＩ＝Ｖ₁₂Ｃ（Ｖ₁₂は設計で決まる定数）
τＩは応答時間と消費電力の積の値であり、従って、応答時間及び、消費電力を小さくするためには熱容量Ｃを小さくすればよい。

本発明ではアーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の熱的距離（熱抵抗Ｒ）と熱容量Ｃを小さくできるので、光減衰器の応答時間を短縮することができる。また、同時に消費電力を低減することも可能である。

従って、本実施の形態においては、導波路型可変光減衰器１の応答時間を短縮するために、高熱伝導性部材（Ｓｉ）からなるチップ７によって両アーム導波路９Ｃ，９Ｄが熱的に接続されている。

次に、熱伝導率が互いに異なる高熱伝導性部材を用いた導波路型可変光減衰器と、高熱伝導性部材を用いない導波路型可変光減衰器との応答時間について比較考察する。

高熱伝導性部材として各熱伝導率が互いに異なるＳｉチップまたはＡｌチップ若しくはＣｕチップを用いた導波路型可変光減衰器と従来の（高熱伝導性部材を用いない）導波路型可変光減衰器を用意し、これら各導波路型可変光減衰器のヒータに電圧を印加して光導波路出力を所定の時間毎に測定した。

この結果、各光導波路出力の９０％となった時間を各導波路型可変光減衰器の応答時間とすると、従来の導波路型可変光減衰器の応答時間は３０ｍｓｅｃであるのに対し、高熱伝導性部材としてＳｉチップまたはＡｌチップ若しくはＣｕチップを用いた導波路型可変光減衰器の応答時間はそれぞれ約８ｍｓｅｃ，約２．５ｍｓｅｃ，約２．０ｍｓｅｃとなった。

よって、高熱伝導性部材を用いた導波路型可変光減衰器の応答時間は高熱伝導性部材を用いない導波路型可変光減衰器の応答時間に比べて短縮されることが、また高熱伝導性部材を用いた導波路型可変光減衰器の中では高熱伝導性部材の熱伝導率が高い程応答時間が短縮されることが確認された。このことは、図５のグラフ（縦軸は規格化した光出力（無単位）を、横軸は応答時間（ｍｓｅｃ）を示す。）に示す通りである。

また、次に示すことが確認された。すなわち、導波路型可変光減衰器において、熱伝導率αが５００Ｗ／ｍＫより大きい熱伝導率をもつ高熱伝導性部材を用いた場合その応答時間に大きな影響はなく、また１００Ｗ／ｍＫより小さい熱伝導率をもつ高熱伝導性部材を用いた場合その応答時間が１０ｍｓｅｃ以上となり、実用的に効果がない。

よって、高熱伝導性部材の熱伝導率αは１００ｗ／ｍＫ≦α≦５００Ｗ／ｍＫの範囲内にある熱伝導率に設定されていることが望ましい（高熱伝導性部材の材料としてα＞５００Ｗ／ｍＫの材料を用いても何等差し支えない）。このことは、図６のグラフ（縦軸は応答時間（ｍｓｅｃ）を、横軸は熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）をそれぞれ示す）に示す通りである。

[実施の形態の効果]
以上説明した実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。

２本のアーム導波路９Ｃ，９Ｄは、高熱伝導性部材であるチップ７によってそれぞれが互いに熱的に接続されているため、ヒータ４への電圧印加開始から所定の光減衰量となるまでの時間を短縮することができ、所望の応答時間を得ることができる。

以上、本発明の導波路型可変光減衰器を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。

（１）本実施の形態では、チップ７がクラッド８上に接着剤１０によって接着されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図７に示すようにヒータ４を覆うＳｉＯ₂層からなる保護膜としての電気絶縁層６１（厚さ３μｍ）をクラッド８上に形成するとともに、この電気絶縁層６１上に接着剤１０によってチップ７を配設してもよい。この場合、電気絶縁層６１の厚さに接着剤１０の厚さを加えた寸法は３０μｍ以下の寸法に設定されている。接着剤１０としては、チップ７と電気絶縁層６１との接着を可能にする材料であればよい。

（２）本実施の形態では、チップ７がヒータ４の上方であって両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ及びこれら両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の領域を覆うような位置に配置されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、図８に示すようにアーム導波路９Ｃ及びこのアーム導波路９Ｃとアーム導波路９Ｄの近傍位置との間の領域を覆うような位置にチップ７を配置してもよい。すなわち要するに、本発明はヒータ４の発生熱がアーム導波路９Ｄに伝達されるのであれば、少なくともヒータ４による加熱対象側のアーム導波路を覆うような位置にチップ７が配置されていればよい。

（３）本実施の形態において、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の中央部付近の間隔（ギャップ）Ｌ（図９参照）については、各アーム導波路９Ｃ，９Ｄが互いに接近するような位置に配置されていることが望ましい。この場合、熱抵抗Ｒの低減のために、高熱伝導部材を用いて熱的距離を小さくするかわりに物理的距離を小さくして熱的距離を小さくすることができる。これにより、前述したように、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の熱抵抗Ｒを小さくすると共に、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄ間の熱容量Ｃを小さくすることができるため、応答時間を短縮し、消費電力を低減することができる。また、比屈折率差０．３％，コア径８μｍの光導波路素子の場合、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄの間隔Ｌが３０μｍより小さくなると、両アーム導波路９Ｃ，９Ｄで光結合するようになり、光学特性に影響を及ぼすため、間隔Ｌの下限値は３０μｍ程度にするとよい。一方、従来の一般的間隔である２５０μｍ程度にした場合でも、高熱伝導部材を用いることにより、間隔Ｌ＝３０μｍの場合と同程度の応答時間を得ることができる。

（４）本実施の形態では、チップ７がアーム導波路９Ｃ，９Ｄの上方に配置されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、アーム導波路９Ｃ，９Ｄの下方にチップ７を配置しても実施の形態と同様の効果を奏する。

１…導波路型可変光減衰器、２…基板、３…光導波路素子、４…ヒータ、５，６…電極、７…チップ、８…クラッド、９…導波路、９Ａ…入力側Ｙ分岐導波路、９Ｂ…出力側Ｙ分岐導波路、９Ｃ，９Ｄ…アーム導波路、１０…接着剤

Claims (1)

1. 光信号伝搬用の導波路を形成するための基板と、
   前記基板の表面に配設されて、前記導波路の一部を構成する２本のアーム導波路及び前記アーム導波路と前記基板の表面とを覆うクラッドからなる導波路素子と、
   前記導波路素子の表面に配設され前記アーム導波路を加熱するためのヒータとを備えた導波路型可変光減衰器において、
   前記ヒータは、前記２本のアーム導波路のうち一方のアーム導波路側に対向して設けられ、
   前記２本のアーム導波路は、熱的に接続されており、
   前記２本のアーム導波路間の中央部間寸法Ｌは、高熱伝導部材を用いることなく、前記ヒータへの電圧印加を開始してから１０ｍｓｅｃ以内に、前記２本のアーム導波路がそれぞれ加熱され、かつ、所定の温度差となる寸法であることを特徴とする導波路型可変光減衰器。