JP5275951B2 - 光導波路 - Google Patents
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Description
入力I1→出力O1をスルーパス、入力I1→出力O2をクロスパスと定義した際、公知の干渉原理によって、それらの光出力(OTHROUGH、OCROSS)は、下式のように記述できる。(ここでは結合器の結合率は、50%とした。)
図1は、本発明の第1の実施例としてDPSK受信回路100の概略図である。また、図2は、図1の線分A−A´の断面図である。
図1において、本DPSK受信回路100は、二つの多モード干渉計型結合器102と、多モード干渉計型結合器102間に挟まれた2本のアーム導波路101と、アーム導波路101を分断するようにして形成された溝106に挿入されたポリイミド波長板103とから構成されている。このポリイミド波長板103は、光学主軸が伝搬方向と直交し、かつ、基板の水平方向から45度傾いており、遅軸と速軸をそれぞれ伝搬する偏波が設計波長の半波長相当の位相差を与えられる。この半波長板103は、TM偏波(もしくはTE偏波)をTE偏波(もしくはTM偏波)に偏波変換する偏波回転器として機能する。本MZI100は、FSRを40GHzとするため、2本のアーム導波路101の長さの差(ΔL)は5.06mmとしている。また、2本のアーム導波路101のうち長い方の導波路101の一部には、両脇に溝105を形成している。溝105との間隔であるリッジ幅を40μmとした。また、溝105に挟まれた光導波路の上面には、薄膜ヒータ104が形成されている。この薄膜ヒータは熱光学効果を利用した位相シフタとしての機能を付予するためのものであり、位相調整に用いる。また、溝を形成することによって、加熱領域を制限し低消費電力を実現する構成となっている。次に、リッジ構造型光導波路101の最適な長さ(L1)について言及する。リッジ幅40μmの複屈折は−8×10-4(B1)、通常の埋め込み型光導波路101の複屈折は5.5×10-4(B0)、2本のアーム導波路101長の差は5.11mm(ΔL)である。ここで、偏波に依存した光路長差Δ(BL)は下式で表すことができる。
本実施例で使用している埋め込み型光導波路101は、シリコン基板上201に、火炎堆積法を使用してSiO2を主体としたアンダークラッド層501およびSiO2にGeO2を添加したコア層203を堆積した後、コアを所望の形状に加工した後、オーバークラッド層502を堆積している。コア203とクラッド202との比屈折率差は1.5%である。また、アンダークラッド501、コア203、オーバークラッド502からなるクラッド202の厚さは40μmである。これに、リッジ構造を形成するための溝105を、シリコン基板が露出するまで形成している。つまり、溝105の深さはクラッド202厚さと同じ40μmである。また、クラッド202の厚さと同じく、リッジ幅は40μmとした。ここで、複屈折のリッジ幅依存性は図4に示され、複屈折のリッジ幅に対する微分値は、リッジ幅40μmのときゼロとなり極小となる。この時、複屈折変動はリッジ幅変動に対して極めて鈍感となる。
複屈折には、応力が強く関与している。複屈折の発生は、コア203への応力が光弾性効果を介してTE偏光とTM偏光に異なる屈折率を与えていること(応力複屈折)に起因している。その際、応力の主要因は、シリコン基板とガラスの熱膨張係数差による横方向の圧縮応力と、オーバークラッド502とコア203との熱膨張係数差による縦方向の圧縮応力である。本発明のシリコン基板上の石英導波路においては、横方向の圧縮応力が縦方向の圧縮応力より大きく、複屈折および偏波依存性が発生する。一方、これらの光導波路の近傍に溝105を設けたリッジ構造型光導波路101の場合、縦方向・横方向の応力がリッジ幅によって増減し、複屈折はあるリッジ幅で極小値を獲得する。
リッジ構造型光導波路を高温高湿試験など、湿度耐性に関する試験を行った際、リッジ構造の壁面などのエッチング面は、ガラスが変質し、応力が開放される状態となる。言い換えれば、壁面のガラスのみが変質し、あたかも、リッジ幅が細くなったかのような複屈折変動を示す。この複屈折の増減の向きは、図4に示す特性から推測でき、複屈折のリッジ幅に対する微分値の正負を入れ替えたものに符号が等しい。つまり、複屈折のリッジ幅に対する微分値がゼロとなるリッジ幅が40μmのリッジ構造は、ある試験時間では、試験による複屈折変動がゼロとなり、非常に安定な状態と言える。
図7は、本発明で第2の実施例としてDPSK受信回路700の概略図である。
構成は実施例1と類似しているため、相違点のみ説明する。
相違点は、リッジ構造型光導波路701が2種類の異なるリッジ幅から構成されている点である。一方のリッジ幅は20μm、他方のリッジ幅は80μmとなっている。クラッド202の厚さは40μmであり、溝705、706の深さも40μmである。一方のリッジ幅は溝705、706の深さより短く、他方のリッジ幅は溝705、706の深さより長くなっている。また、複屈折は、リッジ幅20μmと80μmで、ともに−5.7×10-4である。ここで、リッジ幅20μmおよび80μmの複屈折をBnおよびBw、リッジ幅20μmおよび80μmの導波路長をLnおよびLwとする。次に、二つのアーム701間の長さの差をΔL、リッジ構造ではない通常導波路の複屈折をB0としたとき、式(7)を満たすことにより、偏波に依存した光路長差(Δ(BL))を解消できる。
図8は、本発明の第3の実施例として作製した可変光減衰器800の概略図である。
最初に、具体的な構成について説明する。
図8において、本可変光減衰器800は、二つの方向性結合器802と、方向性結合器802間に挟まれた2本のアーム導波路801と、アーム導波路801の上に形成された薄膜ヒータ803と、アーム導波路801の両脇に形成された溝804からなる。なお、本可変光減衰器800は、光路長で信号波長の半分に相当する、0.52μmのアーム間光路長差(ΔL)で設計している。薄膜ヒータ803は熱光学効果を利用した位相シフタとしての機能を付予している。また、溝を形成することによって、加熱領域を制限し低消費電力を実現する構成となっている。
本実施例で使用している、埋め込み型光導波路は、実施例1と同様に、シリコンを基板201として、アンダークラッド501、コア203、オーバークラッド502からなる。クラッド202の厚さは40μmであり、リッジ幅も40μmとした。
方向性結合器802で偏波結合が発生しており、方向性結合器802間の複屈折の導波路積分値によって、PDLは変化する。つまり、両脇に溝804を形成したリッジ型光導波路の複屈折が変化すると、前述の複屈折の導波路積分値が変動し、PDL変動となって現われる。さらに、実施例1と同じメカニズムによって、リッジ幅を溝804の深さと同じとすることによって、複屈折変動が抑制され、PDL変動が抑制される。
図10は、本発明の第4の実施例として可変光減衰器1000の概略図である。
構成は、実施例3とほぼ同じであるが、異なる点は、リッジ構造型光導波路1001が2種類の異なるリッジ幅から構成されている点である。クラッド202の厚さは40μmであり、溝804の深さは40μmである。一方のリッジ幅は20μm、他方のリッジ幅は80μmとなっており、溝804の深さである40μmより一方は短く、他方は長くなっている。また、複屈折は、リッジ幅20μmと80μmでともに−5.7e−4である。また、高温高湿試験(85℃85%)2000時間後の複屈折変動は、リッジ幅が20μmのとき、5e−5(ΔBn)であり、リッジ幅が80μmのとき−1e−5(ΔBw)であるので、それぞれのリッジ構造型光導波路の長さを、リッジ幅20μmでLnとし、リッジ幅80μmでLwとした時、式(9)を満たすように設定した。これにより、一方の複屈折変動を他方の複屈折変動で相殺することにより、全体として複屈折変動を解消できる。
本実施例の可変光減衰器を、85℃85%の恒温槽に2000時間だけ放置した後の、偏波依存損失差(PDL)の変動量は0.1dB以下であった。例えば、リッジ幅が20μmのものでは、PDL変動は0.45dBであり、それに比較して、本実施例のPDL変動が抑制されていることが確認できる。
102,702,802,1002 多モード干渉計
103,703 半波長板
104,704,803,1003 ヒータ
105,705,706,804,1004,1005 溝
201 シリコン基板
202 グラッド
203 コア
501 アンダークラッド
502 オーバークラッド
Claims (4)
- 基板上に作製された光導波路において、
前記光導波路の一部に、前記光導波路の両脇に二対以上の溝が前記光導波路に沿って直列に設けられ、前記二対以上の溝により形成される二以上のリッジ構造型光導波路のリッジ幅は異なり、
前記溝が設けられた部分の前記リッジ構造型光導波路の複屈折の値が極小となるようなリッジ幅をWとしたとき、
少なくとも1つ以上のリッジ幅が、前記リッジ幅Wより小さく、残りのリッジ幅が前記リッジ幅Wより大きく、
前記リッジ構造型光導波路の長さは、前記リッジ構造型光導波路の複屈折変動を前記リッジ構造型光導波路の伝搬方向に積分した値が零となるよう設定されることを特徴とする光導波路。 - 基板上に作製された光導波路において、
前記光導波路の一部に、前記光導波路の両脇に二対以上の溝が前記光導波路に沿って直列に設けられ、前記二対以上の溝により形成される二以上のリッジ構造型光導波路のリッジ幅は異なり、
前記溝の深さの距離をHとしたとき、
少なくとも1つ以上のリッジ幅が、前記距離Hより小さく、残りのリッジ幅が前記距離Hより大きく、
前記リッジ構造型光導波路の長さは、前記リッジ構造型光導波路の複屈折変動を前記リッジ構造型光導波路の伝搬方向に積分した値が零となるよう設定されることを特徴とする光導波路。 - 前記光導波路のうち両脇に前記一対の溝が設けられた部分の上にヒータを備ることを特徴とする請求項1または2に記載の光導波路。
- 入力光が入力され、2N個(N:自然数)の分岐出力光を出力する光分岐部分と、
前記光分岐部分に接続され、N個の第1の分岐出力光がそれぞれ伝搬するN本の第1のアーム導波路と、
前記光分岐部分に接続され、N個の第2の分岐出力光がそれぞれ伝搬するN本の第2のアーム導波路と、
前記N本の第1のアーム導波路を伝搬する前記N個の第1の分岐出力光の1つと、前記N本の第2のアーム導波路を伝搬し、前記N個の第1の分岐出力光の前記1つに対応する前記N個の第2の分岐出力光の1つとをそれぞれ合成し、干渉させるN個の光合波回路とを備え、
前記N個の光合波部分のそれぞれは、前記光分岐部分と、前記N本の第1のアーム導波路の1本と、前記第1のアーム導波路の1本に対応する前記第2のアーム導波路の1本と共にそれぞれ干渉計を構成し、
請求項1乃至3のいずれかに記載の光導波路が、前記N個のそれぞれの干渉計を構成する前記第1のアーム導波路と前記第2のアーム導波路の少なくとも一方に配置されていることを特徴とするマッハツェンダ干渉計回路。
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