JP7227535B2

JP7227535B2 - 光回路

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Description

本発明は光回路に関し、より詳細には熱クロストークが補償された光干渉回路に関する。

通信需要の急速な増大を背景として、通信網の大容量化に向けた検討が精力的に行われている。光変調フォーマットは、光信号の１チャネルに対して１チャネルの高周波電気信号を割り当てる振幅偏移変調（ＡＳＫ：Amplitude Shift Keying）方式が主流であった。しかしながら、ＡＳＫはある周波数帯域に１ビット分の情報しか信号に付与できない。このため近年では、四位相偏移変調（ＱＰＳＫ：Quadrature Phase Shift Keying）方式や、直交振幅変調（ＱＡＭ：Quadrature Amplitude Modulation）方式が盛んに研究開発され、実用化に至っている。ＱＰＳＫ信号やＱＡＭ信号を生成するためには、通常、光を複素表記したときの実軸（Ｉ軸）と虚軸（Ｑ軸）を個別に振幅変調するＩＱ（直交）変調器の形態がとられる。このＩＱ変調器は、光信号の１チャネルの信号に対して実軸および虚軸の分の２チャネルの高周波電気信号を割り当てられる。また、光のＸ偏光およびＹ偏光に別個の信号を付与して伝送する偏波多重方式も一般的に多く用いられている。

これらの変調機能を実現するためには、基本的な光回路要素として光干渉計を利用できる。周波数利用効率を向上して通信容量を大容量化するため、ＩＱ変調および偏波多重を併せて用いる場合には、光信号の１チャネルに対して情報を付与するのに少なくとも４チャネル分の光干渉計が必要となる。

上述のような周波数利用効率を高めることで通信容量増大を図る一方で、送受信デバイスの小型化により単位体積あたりの伝送容量を増大することも有効である。１デバイスあたりの伝送容量を変えないで、個々のデバイスを小型化することによっても、伝送装置に搭載されるデバイスの数を増加させ、伝送装置として伝送容量を増大できる。

特開２００７-７８８６１号公報

しかしながら、伝送装置における光送受信デバイスでは、光干渉回路間の熱クロストークが問題となっていた。特許文献１に開示されているように、光の１チャネルに対する高周波電気信号の多チャネル化や光送受信デバイスの小型化を行うと、光干渉回路同志の距離が短くなり、光干渉回路間の熱クロストークが大きくなる。

図１は、従来技術の光干渉回路における熱クロストークを説明する図である。図１では、２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂが示されている。光干渉回路１０１ａでは、入力導波路を伝搬する入力光１０が２本のアーム導波路に分岐され、２つの分岐光１１ａ、１１ｂが再び合波されて出力光１２が得られる。一方のアーム導波路上には熱光学位相シフタ１０２ａを備えている。電圧印可端子１０３ａに制御電圧Ｖｃｏｎｔ１を加えて、熱光学位相シフタ１０２ａに電流を流し発熱させることで、アーム導波路の屈折率を変化させて、分岐光１１ｂの位相をシフト（変化）させる。２つの分岐光１１ａ、１１ｂ間に位相差が生じるため、合波した出力光１２のレベルが位相差に応じて変化する。もう１つの光干渉回路１０１ｂについても同様に、電圧印可端子１０３ｂに制御電圧Ｖｃｏｎｔ２を加え、熱光学位相シフタ１０２ｂによって出力光１４のレベルを制御できる。このような光干渉回路は、印可する電圧に応じて出力光のレベルを変えることができるので可変減衰器として利用される。さらにアーム導波路上に別の高速制御が可能な電極を設ければ、図１の各光干渉回路は光送受信デバイスにおける光変調器の要素としても利用できる。

２つの熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂの電圧印可端子の反対側はそれぞれコモン端子（共通端子）１０４に接続されている。コモン端子１０４は、光回路の小型化のために端子数をできるだけ削減するためである。図１の構成によって、制御電圧Ｖｃｏｎｔ１、Ｖｃｏｎｔ２をそれぞれ制御することで、２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂを独立に動作させることができる。しかしながら実際には、一方の熱光学位相シフタ１０２ａで発生した熱が隣接する光干渉回路１０１ｂに伝わって光干渉回路１０１ｂの出力光１４のレベルに影響を及ぼす。同様に、逆に熱光学位相シフタ１０２ｂで発生した熱が光干渉回路１０１ａに伝わって光干渉回路１０１ａの出力光１２のレベルに影響を及ぼす。このように熱光学位相シフタで生じた熱が、隣接する他の光干渉計の動作に影響を及ぼすことを熱クロストークと呼ぶ。上述のように伝送容量を増大させるため、光回路を小型化して光干渉回路間の距離を短くするほど、この熱クロストークの影響が大きくなるという課題があった。図１に示した光干渉回路は、光減衰器のほか様々な信号処理機能を実現するため光送受信デバイスに数多く密集して使用されており、熱クロストークはその性能に悪影響を与える。

本発明は、上述のような問題を鑑みてなされたもので、熱クロストークが抑制された光回路を提供することにある。

本開示の１つの実施態様は、隣接する２つ以上の光干渉回路を含む光回路において、一端に第１の制御電圧が印可される第１の熱光学位相シフタを備えた第１の光干渉回路と、前記第１の光干渉回路に隣接し、一端に第２の制御電圧が印可される第２の熱光学位相シフタを備えた第２の光干渉回路とを備え、前記第１の熱光学位相シフタの他端および前記第２の熱光学位相シフタの他端に接続され、共通電位に向かって、前記第１の熱光学位相シフタおよび前記第２の熱光学位相シフタからの各電流が流れる抵抗素子を備えたことを特徴とする光回路である。

本開示のもう１つの実施態様は、隣接する２つ以上の光干渉回路を含む光回路において、一端に第１の制御電圧が印可される第１の熱光学位相シフタを備えた第１の光干渉回路と、前記第１の光干渉回路に隣接し、一端に第２の制御電圧が印可される第２の熱光学位相シフタを備えた第２の光干渉回路とを備え、前記第１の熱光学位相シフタの他端に接続され、前記第２の光干渉回路の前記第２の熱光学位相シフタが無い側の導波路に配置された第１の抵抗体と、前記第２の熱光学位相シフタの他端に接続され、前記第１の光干渉回路の前記第１の熱光学位相シフタが無い側の導波路に配置された第２の抵抗体とを備えたことを特徴とする光回路である。

本発明は、複数の密集した光干渉回路間において熱クロストークを低減する。

従来技術の光干渉回路における熱クロストークを説明する図である。本開示の第１の実施形態の光回路の構成を示した図である。第１の実施形態の光回路における熱クロストーク抑制効果の説明図である。第１の実施形態の光回路の第１の変形例の構成を示した図である。第１の実施形態の光回路の第２の変形例の構成を示した図である。第１の実施形態の光回路の第３の変形例の構成を示した図である。本開示の第２の実施形態の光回路の構成を示した図である。第２の実施形態の光回路における熱クロストーク抑制効果の説明図である。本開示の第３の実施形態の光回路の構成を示した図である。第３の実施形態の光回路における熱クロストーク抑制効果の説明図である。

本開示の光回路は、隣接する光干渉回路の間で位相可変手段を含む電気経路の少なくとも一部を共有し、または、隣接する光干渉回路にまたがって電気経路を構成し、電圧フィードバックまたは熱的なフィードバックを行う。電圧フィードバックまたは熱的なフィードバックによって、一方の光干渉回路から隣接する他方の光干渉回路への熱クロストーク成分を相殺する機構を備える。

本開示の光回路は、隣接する光干渉回路との間で、それぞれの位相可変手段を含む電気経路を共有するフィードバック抵抗を有する。フィードバック抵抗によって隣接する光干渉回路における位相可変手段による位相可変量を、熱クロストーク成分を相殺するように変化させる。この時、熱クロストークを受ける隣接する光干渉回路の位相可変手段に掛かる電圧に対して電圧フィードバックが生じる。

本開示の別の光回路は、位相可変手段を含む電気経路が、隣接する光干渉回路との間にまたがって構成される。隣接する光干渉回路内に配置された抵抗素子の発熱によって隣接する光干渉回路における実質的な位相可変量を、熱クロストーク成分だけ相殺するように変化させる。この時、熱クロストークを受ける隣接する光干渉回路に対して熱的フィードバックが生じる。上述の位相可変手段は、熱光学位相シフタであり得る。また上述の光干渉回路は、マッハツェンダ型干渉回路（ＭＺＩ：Mach-Zehnder Interferometer）またはリング型光干渉回路であり得る。また、本開示の光回路における光干渉回路をアレイ状に複数個配置することもできる。

以下、具体的な実施形態およびその変形例とともに、詳細に本開示の光回路の構成および動作について説明する。

[第１の実施形態]
図２は、本開示の第１の実施形態に係る光回路の構成を示す図である。図２の光回路では、最も簡単な２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂの間における熱クロストークを低減する構成について説明する。２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂの構成は、図１に示したものと同じである。それぞれの光干渉回路は、一方のアーム導波路上に、アーム導波路を伝搬する光の位相を温度変化によって変化させる位相可変手段を備えている。図２に示したこのような光干渉回路は、ＭＺＩ型干渉回路として知られている。位相可変手段は、具体的には、熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂであり得る。ここで２つの熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂは、２つの光干渉回路の隣接するアーム導波路に備えられている点に留意されたい。すなわち、第１の光干渉回路１０１ａの図面上で下側のアーム導波路に熱光学位相シフタ１０２ａを備え、第２の光干渉回路１０１ｂの図面上で上側のアーム導波路に熱光学位相シフタ１０２ｂを備えている。

図２の２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂは、それぞれの電圧印可端子１０３ａ、１０３ｂを備え、図１の光回路の構成と同様である。すなわち、独立に動作する制御電圧Ｖｃｏｎｔ１、Ｖｃｏｎｔ２が、対応する電圧印可端子へ印可される。本開示の光回路では、電圧印可端子１０３ａ、１０３ｂの各々からコモン端子１０４に至るまでの２つの電気経路の構成が、図１に示した従来技術の構成と相違している。図１の従来技術の光干渉回路では、電圧印可端子１０３ａ、１０３ｂの各々からコモン端子１０４に至るまでの電気経路は、最終点のコモン端子１０４は共通であるものの、他に電気経路に共通する部分は無い。通常コモン端子は、制御電圧Ｖｃｏｎｔ１、Ｖｃｏｎｔ２がそれぞれ有効に熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂに印可されるように、インピーダンスの低い一定電位の電圧源に接続される。最も簡単な構成では、グランド（接地）される。したがって、制御電圧Ｖｃｏｎｔ１、Ｖｃｏｎｔ２は相互に影響せず、２つの電気経路は独立して動作する。

図２に示した本開示の光回路では、熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂの一端からコモン端子１０４の間に、共通の抵抗素子２０１を備えている。したがって、電圧印可端子１０３ａから熱光学位相シフタ１０２ａおよび抵抗素子２０１を経てコモン端子１０４に至る第１の電気経路が形成される。同様に、電圧印可端子１０３ｂから熱光学位相シフタ１０２ｂおよび抵抗素子２０１を経てコモン端子１０４に至る第２の電気経路が形成される。抵抗素子２０１は、２つの電気経路の重複部分であり、共有部分でもある。抵抗素子２０１による熱クロストーク成分の軽減作用については、後述する。

図２の光回路は、シリコン酸化膜上にシリコン単結晶を形成したウェハ（ＳＯＩ：Silicon on Insulator）上に形成された。光干渉回路１０１ａ、１０１ｂを構成する光導波路層では、コアをシリコン、クラッドをガラス膜とした。熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂとしては、光導波路層の上に形成した窒化チタンを用いた。抵抗素子２０１も熱光学位相シフタと同じく窒化チタンによって形成した。電気経路については、電圧印加端子１０３ａ、１０３ｂ、熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂ、抵抗素子２０１、コモン端子１０４の間の各電気的接続にはアルミ配線を用いた。

熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂの抵抗値は５００Ω、抵抗素子２０１の抵抗値は２３Ω、熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂのπシフト電力は１５ｍＷである。また、熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂがある２つのアーム導波路間の距離は、１００μｍとした。ここで、全く同一の材料および光干渉回路の配置による図１の従来技術の構成で、熱光学位相シフタ１０２ａからの光干渉回路１０１ｂへの熱クロストーク量を求めると、５％であった。熱クロストーク量は、ある熱光学位相シフタの発熱による所望の光干渉回路の位相変化量と、隣接するもう１つの光干渉回路において熱クロストークにより生じる位相変化量の比である。例えば、一方の光干渉計において一定の発熱量により生じるアーム導波路間の位相差をα_１°とし、このとき他方の光干渉計において生じるアーム導波路間の位相差をα_２°としたとき、α_１とα_２の比を言う。２つの光干渉回路は、独立した用途に使用されるので、α_２＝０°となり熱クロストーク量は０％であることが望ましい。しかしながら、光回路全体の小型化のためには複数の光干渉回路を密に配置する必要がある。このため、一般的には光干渉回路間の距離が近づくほど熱が伝わりやすくなり、熱クロストーク量は増大してしまう。

本開示における光干渉回路では、隣接する２つの光干渉回路の間で、それぞれの位相可変手段を含む電気経路を共有するフィードバック抵抗、すなわち抵抗素子２０１を有する。ここでは最も簡単な例として、フィードバック抵抗２０１によって、隣接する光干渉回路間における熱クロストークを低減する動作を説明する。電圧印加端子１０３ａ、１０３ｂに印可するＶｃｏｎｔ１、Ｖｃｏｎｔ２の各制御電圧は、独立に制御される。以下では、電圧印加端子１０３ａへの制御電圧Ｖｃｏｎｔ１を変化させ電圧印加端子１０３ｂへの制御電圧Ｖｃｏｎｔ２を一定に保持した場合の、熱光学位相シフタ１０２ａから光干渉回路１０１ｂへの熱クロストークについて説明する。コモン端子１０４は、グランドに接続されているものとする。電圧印加端子１０３ａの制御電圧ＶＣｏｎｔ１を上げると、熱光学位相シフタ１０２ａでの発熱が増加する。このため、熱光学位相シフタ１０２ａから光干渉回路１０１ｂへの熱クロストーク量も増加する。しかし、同時に熱光学位相シフタ１０２ａに流れる電流３０も増加するため、抵抗素子２０１の両端に生じる電位差が大きくなる。電圧印加端子１０３ｂに与える電圧Ｖｃｏｎｔ２を一定なので、結果として、熱クロストークを受ける側の熱光学位相シフタ１０２ｂの両端に掛かる電圧が小さくなり、その発熱も小さくなる。

上述のように、２つの電圧印加端子の各々からコモン端子までの間の２つの電気経路で、熱光学位相シフタよりコモン端子側の共通の電気経路に抵抗素子２０１を設けることにより、熱光学位相シフタ１０２ｂに実質的に印可される電圧に負のフィードバックが掛かる。熱光学位相シフタ１０２ａからの熱クロストークによる熱光学位相シフタ１０２ｂの位相変化の増加と、熱光学位相シフタ１０２ｂに掛かる電圧の減少（発熱減少）による位相変化の減少とが相殺される。結果として、隣接する光干渉回路１０１ｂが受ける熱クロストークの影響が低減される。

したがって本開示の光回路は、隣接する２つ以上の光干渉回路を含む光回路において、一端に第１の制御電圧が印可される第１の熱光学位相シフタ１０２ａを備えた第１の光干渉回路１０１ａと、前記第１の光干渉回路に隣接し、一端に第２の制御電圧が印可される第２の熱光学位相シフタ１０２ｂを備えた第２の光干渉回路１０１ｂとを備え、前記第１の熱光学位相シフタの他端および前記第２の熱光学位相シフタの他端に接続され、共通電位１０４に向かって、前記第１の熱光学位相シフタおよび前記第２の熱光学位相シフタからの各電流３１が流れる抵抗素子２０１を備えた光回路として実施できる。上述の抵抗素子は、単一の抵抗体２０１であって、前記第１の制御電圧Ｖｃｏｎｔ１および前記共通電位Ｃｏｍの間の第１の電気経路、および前記第２の制御電圧Ｖｃｏｎｔ２および前記共通電位Ｃｏｍの間の第２の電気経路を、前記単一の抵抗体において共有していることができる。

図３は、第１の実施形態の光回路における光干渉回路間の熱クロストークの抑制効果を示す図である。図３の（ａ）は、図１に示した従来技術の光干渉回路における熱クロストーク特性を表しており、図３の（ｂ）は、図２の第１の実施形態の光回路における光干渉回路間の熱クロストーク特性を表している。いずれのグラフも、電圧印加端子１０３ａの制御電圧Ｖｃｏｎｔ１を変化させ（横軸）、電圧印加端子１０３ｂの電圧Ｖｃｏｎｔ２を３Ｖの一定値に保持した場合に、制御電圧Ｖｃｏｎｔ１が隣接する光干渉回路１０１ｂの位相特性に与える影響を示している。縦軸は、隣接する光干渉回路１０１ｂの熱光学位相シフタ１０２ａの出力側における位相を示している。

熱クロストークが無い理想的な状態では、電圧印加端子１０３ａの制御電圧Ｖｃｏｎｔ１に依らず、隣接する光干渉回路１０１ｂの位相は一定となるはずである。実際には図３の（ａ）に示したように、制御電圧Ｖｃｏｎｔ１が大きい領域で熱クロストークの影響を受け、隣接する光干渉回路１０１ｂの位相は０．６ｒａｄ（熱クロストーク５％に相当）変動している。一方、図３の（ｂ）に示した第１の実施形態の光回路では、隣接する光干渉回路１０１ｂの位相の変動量は０．１５ｒａｄ（熱クロストーク１．２５％に相当）に抑制されている。このように第１の実施形態の光回路は、隣接する光干渉回路との間で、熱光学位相シフタよりコモン端子側の共通の電気経路に抵抗素子２０１を備え、隣接する熱光学位相シフタに印可される実質的な電圧に負のフィードバックを与え、熱クロストークを抑制する。

第１の実施形態の光回路では、導波路材料として、ＳＯＩウェハ上に形成した光導波路のコアとしてシリコン、クラッドとしてガラスを採用した。これは光導波路のコアとクラッドの屈折率差が大きいため光回路の小型化に適しているためである。しかしながら、本開示の光回路の導波路はこれらの材料だけに限定されず、例えば、石英ガラス系やニオブ酸リチウム系の材料であっても良いし、インジウムリン等のＩＩＩ－Ｖ族半導体系の材料であっても良い。

図２の光回路においては、抵抗素子の材料として、シリコン系の導波路において一般的に用いられる窒化チタンを用いた。しかしながら、本開示の光回路の抵抗素子はこの材料だけに限定されず、シリコンにイオン注入して作られる抵抗、アルミ配線を細く長く配置したもの、チップ部品を基板上に実装したものであっても良い。

[第１の実施形態の第１の変形]
図４は、第１の実施形態の光回路の第１の変形例の構成を示している。第１の変形例の光回路は、光干渉回路としてリング型光干渉回路４０１、４０１ｂを利用しており、図２の第１の実施形態の構成における２つのＭＺＩ型光干渉回路を、リング型光干渉回路４０１、４０１ｂによって置き換えたものである。２つの隣接するリング型光干渉計の、近接するリング部分にそれぞれ、２つの位相可変手段、すなわち熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂが備えられている。熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂの位相を制御するために、電圧印加端子１０３ａ、１０３ｂに独立してＶｃｏｎｔ１、Ｖｃｏｎｔ２の各制御電圧が印可される。電圧印加端子１０３ａ、１０３ｂの各々からコモン端子１０４までの、２つの電気経路には、共通経路部分に抵抗素子２０１を備えている。第１の実施形態と同様に、隣接する２つの光干渉回路４０１ａ、４０１ｂの間で、それぞれの位相可変手段を含む電気経路を共有するフィードバック抵抗２０１を有する。第１の変形例における２つの電気経路の構成は、図２に示した第１の実施形態の場合と全く同じであり、図３に示した位相変化の低減と同様の熱クロストーク抑制効果を持っている。

[第１の実施形態の第２の変形例]
図５は、第１の実施形態の光回路の第２の変形例の構成を示す図である。第２の変形例光回路は、図２に示した第１の実施形態の２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂの構成に対して、並列数を４に増やした点で相違している。図５のすべての光干渉回路１０１ａ～１０１ｄの各々は、２つのアーム導波路の両方に、熱光学位相シフタ１０２ａ～１０２ｆを備えている。隣接する２つの光干渉回路において、互いに隣り合う熱光学位相シフタをそれぞれ含む２つの電気経路で、熱光学位相シフタよりコモン端子側の共通の電気経路に抵抗素子２０１ａ～２０１ｃを設けている。隣接する２つの光干渉回路のいずれの組み合わせでも、共通の電気経路の抵抗素子２０１ａ～２０１ｃによって、隣接する光干渉回路の熱光学位相シフタに掛かる実質的な印可電圧を減らすフィードバックによって、一方の光干渉回路から受ける熱クロストークが低減される。例えば、２つの光干渉回路１０１ｃ、１０１ｄの間の熱クロストークは、制御電圧ＶＣｏｎｔ５、ＶＣｏｎｔ６の各々からコモン端子の共通電位Ｃｏｍ３までの２つの電気経路を共有する抵抗素子２０１ｃによって、低減される。

図５に示した光回路の構成では、上から２番目の光干渉回路１０１ｂは、制御電圧Ｖｃｏｎｔ２またはＶｃｏｎｔ３によって、対応する熱光学位相シフタ１０２ｂ、１０２ｃの位相制御が可能である。また、３番目の光干渉回路１０１ｃは、制御電圧Ｖｃｏｎｔ４またはＶｃｏｎｔ５によって対応する熱光学位相シフタ１０２ｄ、１０２ｅの位相制御が可能である。したがって２番目の光干渉回路１０１ｂに対しては、制御電圧Ｖｃｏｎｔ２のみを変化させて出力光のレベルを制御しても良いし、制御電圧Ｖｃｏｎｔ２およびＶｃｏｎｔ３の両方を差動形式で制御しても良い。このとき、抵抗素子２０１ｂによって、２番目の光干渉回路１０１ｂおよび３番目の光干渉回路１０１ｃ間の熱クロストークが低減される。同様に、抵抗素子２０１ｃによって、３番目の光干渉回路１０１ｃおよび４番目の光干渉回路１０１ｄ間の熱クロストークが低減される。

図５のように光回路内で光干渉回路の並列数を増やした構成においても、任意の組み合わせの隣接する２つの光干渉回路間において、図２に示した第１の実施形態の光回路と同様に熱クロストークを抑制する効果が発揮される。
[第１の実施形態の第３の変形例]
図６は、第１の実施形態の光回路の第３の変形例の構成を示す図である。図６の第３の変形例の光回路は、図５の第２の変形例と同様に４つの光干渉回路が並列に構成されている。図５の第２の変形例との相違は、光干渉回路１０１ａ～１０１ｄの各々において、一方のアーム導波路だけに熱光学位相シフタ１０２ａ～１０２ｄを備えている点にある。すなわち２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂにおいて、隣接するアーム導波路に熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂが配置されている。また別の２つの光干渉回路１０１ｃ、１０１ｄにおいて、隣接するアーム導波路に熱光学位相シフタ１０２ｃ、１０２ｄが配置されている。したがって、２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂの間で、および、２つの光干渉回路１０１ｃ、１０１ｄの間で、それぞれ図２に示した第１の実施形態と同様に熱クロストークを抑制効果が発揮される。

第３の変形例の光回路では、図５の第２の変形例の構成と比べて熱光学位相シフタの数が半分で済み、各光干渉回路における位相の調整もシンプルである。２番目の光干渉回路１０１ｂと、３番目の光干渉回路１０１ｃとの間では、熱クロストークを抑制効果は無いが、光干渉回路１０１ｂの熱光学位相シフタ１０２ｂと、光干渉回路１０１ｃの熱光学位相シフタ１０２ｃとは隣接していないので、そもそも熱クロストークの影響が軽微である。したがって図６に示した第３の変形例の光回路では、図５の第２の変形例と比べてより簡素な構成で、光回路全体として同等レベルの熱クロストーク低減の効果がある。

[第２の実施形態]
上述の第１の実施形態およびその３つの変形例では、２つの光干渉回路の間で、それぞれの位相可変手段を含む２つの電気経路で共有するフィードバック抵抗により、隣接する光干渉回路の熱光学位相シフタの実質的な印可電圧を減らすフィードバックを利用した。このような熱クロストークを低減するフィードバックは、熱光学位相シフタに対する電圧フィードバックだけでなく、熱光学位相シフタへの熱的なフィードバックによっても実現できる。熱クロストークを与える第１の光干渉回路の位相制御のための電気経路を、第１の光干渉回路から、熱クロストークを受ける第２の光干渉回路にまたがって構成し、熱フィードバックを与える抵抗を第２の光干渉回路上に配置することで実現できる。

図７は、本開示の第２の実施形態の光回路の構成を示す図である。第２の実施形態の光回路は、図２に示した第１の実施形態と同様に２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂを備えている。ここでは、２つの光干渉回路路１０１ａ、１０１ｂの間における熱クロストークを低減する構成について説明する。位相可変手段は、具体的には熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂであり得る。２つの熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂは、図２の場合と同様に２つの光干渉回路の隣接するアーム導波路に備えられている。すなわち、第１の光干渉回路１０１ａの図面上で下側のアーム導波路に熱光学位相シフタ１０２ａを備え、第２の光干渉回路１０１ｂの図面上で上側のアーム導波路に熱光学位相シフタ１０２ｂを備えている。図１に示した従来技術および図２に示した第１の実施形態との相違点は、熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂをそれぞれ含む、電圧印可端子１０３ａ、１０３ｂの各々からコモン端子１０４までの２つの電気経路の構成にある。

上側の第１の光干渉回路１０１ａに対する位相制御用の第１の電気経路、すなわち、熱光学位相シフタ用の電圧印可端子１０３ａからコモン端子１０４までの第１の電気経路について見る。電圧印可端子１０３ａは熱光学位相シフタ１０２ａの一端に接続され、熱光学位相シフタ１０２ａの他端から、第２の光干渉回路１０１ｂに形成された抵抗素子２０１ｂおよび第１の光干渉回路１０１ａに形成された抵抗素子２０１ａの一端への２つの電気経路に分岐している。そして、２つの抵抗素子２０１ａ、２０１ｂのもう一端は、いずれもコモン端子１０４に接続されている。

下側の第２の光干渉回路１０１ｂに対する位相制御用の第２の電気経路、すなわち、熱光学位相シフタ用の電圧印可端子１０３ｂからコモン端子１０４までの第２の電気経路についても、電圧印可端子１０３ｂを熱光学位相シフタ１０２ｂに接続する点を除けば、上述の第１の電気経路と同じ構成となっている。ここで注目すべきは、図７において２つの熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂは、コモン端子１０４側で相互に接続されていることである。熱光学位相シフタとコモン端子１０４との間は、等価的に２つの並列な抵抗素子２０１ａ、２０１ｂで並列接続されている。すなわち、別個の２つの抵抗体が、第１の熱光学位相シフタ１０２ａおよび第２の熱光学位相シフタ１０２ｂの無い側のアーム導波路に配置されている。並列な抵抗体２０１ａ、２０１ｂの並列抵抗値を持つ「１つの抵抗素子」と考えれば、図７の２つの電気経路は、図２に示した２つの電気経路の構成と電気回路的に完全同一となる。したがって図７の構成においても、第１の実施形態の光回路と同様に、２つの並列な抵抗体２０１ａ、２０１ｂの電位変化によって、隣接する光干渉回路の熱光学位相シフタの実質的な印可電圧に対して電気的な電圧フィードバックが掛かる。

図７の第２の実施形態の構成では、上述の電気的な電圧フィードバックに加えて、抵抗素子を物理的に２つの抵抗体に分離して、熱光学位相シフタが無い側のアーム導波路上に構成することで、熱的なフィードバックを生じる。例えば、第１の光干渉回路１０１ａに対する位相制御用の電気経路について見る。図２での検討と同じように、電圧印加端子１０３ａの制御電圧Ｖｃｏｎｔ１を変化させ、電圧印加端子１０３ｂの電圧Ｖｃｏｎｔ２を一定に保持した場合の、熱光学位相シフタ１０２ａから第２の光干渉回路１０１ｂへの熱クロストークを説明する。電圧印加端子１０３ａの制御電圧ＶＣｏｎｔ１を増加させると、熱光学位相シフタ１０２ａでの発熱が増加する。このため、熱光学位相シフタ１０２ａから第２の光干渉回路１０１ｂへの熱クロストーク量も増加する。しかし、同時に熱光学位相シフタ１０２ａに流れる電流３０も増加するため、第２の光干渉回路１０１ｂの抵抗体２０１ｂにおける発熱量も増加する。

光干渉回路における熱光学位相シフタによる位相変化量は、２つのアーム導波路間の位相差によって決定する。したがって、２つのアーム導波路において同時に同じ方向に位相が変化すれば、結果として光干渉回路の位相干渉動作に寄与する位相差は相殺されて減少する。言い換えれば、熱光学位相シフタ１０２ａから第２の光干渉回路１０１ｂへの熱クロストークによって生じる位相変化と、第２の光干渉回路１０１ｂの抵抗体２０１ｂの発熱による位相変化が同じ方向であれば、全体として熱クロストークを受ける側の第２の光干渉回路１０１ｂのアーム導波路間の位相差は減少する。したがって、隣接する第２の光干渉回路が受ける熱クロストークは、熱光学位相シフタとは反対側のアーム導波路上の抵抗体による熱的なフィードバックで相殺され、低減される。

この時注意すべきは、熱クロストークを与える側の第１の光干渉回路１０１ａにおいても、熱光学位相シフタ１０２ａとは反対側のアーム導波路上の抵抗素子２０１ａによって同様の発熱を生じ得る。しかしながら、この発熱は電圧印加端子１０３ａへの制御電圧ＶＣｏｎｔ１による位相変化量をわずかに減らすだけの影響しかない。同様の熱的なフィードバックによる熱クロストークの低減動作は、熱光学位相シフタ１０２ｂから第１の光干渉回路１０１ａへの熱クロストークについても成立する。電圧印可端子１０３ａ、１０３ｂの各々からコモン端子１０４までの２つの電気経路は、いずれも抵抗素子だけからなる線形電気回路であって、それぞれの電圧印可端子への制御電圧に応じて動作が独立に生じ、重畳される。

したがって本開示の光回路は、抵抗素子は、２つの抵抗体２０１ａ、２０１ｂであって、それぞれ前記第１の熱光学位相シフタおよび前記第２の熱光学位相シフタが無い側の導波路に配置され、前記第１の制御電圧Ｖｃｏｎｔ１および前記共通電位Ｃｏｍの間の第１の電気経路、および前記第２の制御電圧Ｖｃｏｎｔ２および前記共通電位Ｃｏｍの間の第２の電気経路を、前記２つの抵抗体においてそれぞれ共有している。

図７に示した光回路のような２つの電気経路の構成とすることで、２つの電気経路を共有する２つの並列なフィードバック抵抗により、熱光学位相シフタに掛かる印可電圧による電圧フィードバックと、熱的なフィードバックとを同時に実現できる。熱クロストークを与える第１の光干渉回路の位相制御のための電気経路を、第１の光干渉回路から、熱クロストークを受ける第２の光干渉回路にまたがって構成し、熱フィードバックを与える抵抗を第２の光干渉回路上に配置することで実現できる。

熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂの抵抗値は５００Ω、抵抗素子２０１ａ、２０１ｂの抵抗値は１２Ωとした。また、熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂのπシフト電力は１５ｍＷである。熱光学位相シフタ１０２ａからの第２の光干渉回路１０１ｂへの熱クロストーク量は５％である。

図８は、第２の実施形態の光回路における光干渉回路間の熱クロストークの抑制効果を示す図である。図８の（ａ）は、図１に示した従来技術の光干渉回路における熱クロストーク特性を表しており、図８の（ｂ）は、図７に示した第２の実施形態の光回路における熱クロストーク特性を表している。いずれのグラフも、電圧印加端子１０３ａの制御電圧Ｖｃｏｎｔ１を変化させ（横軸）、電圧印加端子１０３ｂの電圧Ｖｃｏｎｔ２を３Ｖの一定値に保持した場合に、制御電圧Ｖｃｏｎｔ１が隣接する光干渉回路１０１ｂの位相特性に与える影響を示している。縦軸は、隣接する光干渉回路１０１ｂの熱光学位相シフタ１０２ａの出力側における位相を示している。

熱クロストークが無い理想的な状態では、電圧印加端子１０３ａの制御電圧Ｖｃｏｎｔ１に依らず、隣接する光干渉回路１０１ｂの位相は一定となるはずである。実際には図８の（ａ）に示したように、制御電圧Ｖｃｏｎｔ１が大きい領域で熱クロストークの影響を受け、隣接する光干渉回路１０１ｂの位相は０．６ｒａｄ（熱クロストーク５％に相当）変動している。一方、図８の（ｂ）に示した第２の実施形態の光回路では、隣接する光干渉回路１０１ｂの位相の変動量は０．１２ｒａｄ（熱クロストーク１％に相当）に抑制されている。このように第２の実施形態の光回路は、隣接する２つの光干渉回路において、熱光学位相シフタよりコモン端子側の共通の電気経路にある並列に接続された抵抗体であって、熱光学位相シフタの無い側のアーム導波路にそれぞれ配置された２つの抵抗体２０１ａ、２０１ｃを備える。隣接する熱光学位相シフタの実質的な印可電圧対する負の電圧フィードバックに加え、隣接する熱光学位相シフタに対して位相変化量を減らす負の熱フィードバックを与え、隣接する光干渉回路間の熱クロストークを抑制する。

[第３の実施形態]
上述の第２の実施形態の光回路では、熱クロストークを与える第１の光干渉回路の位相制御のための電気経路を、第１の光干渉回路から、熱クロストークを受ける第２の光干渉回路にまたがって構成し、熱的フィードバックを与える抵抗を第２の光干渉回路上に配置することで実現していた。第２の実施形態の光回路における２つの電気経路は、第１の実施形態の２つの電気経路と電気回路的には等価である。したがって、第１の実施形態の光回路同様に、熱クロストークを受ける第２の光干渉回路の熱光学位相シフタに掛かる実質的な印可電圧に対する電圧フィードバックも同時に生じていた。本実施形態の光回路では、熱的フィードバックのみによって熱クロストークを低減する構成を示す。

図９は、本開示の第３の実施形態の光回路の構成を示す図である。第３の実施形態の光回路は、図２に示した第１の実施形態および図７に示した第２の実施形態の各光回路と同様に、２つの光干渉回路１０１ａ、１０１ｂを備えている。ここでは、２つの光干渉回路路１０１ａ、１０１ｂの間における熱クロストークを低減する構成について説明する。２つの熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂは、図２および図７の各光回路と同様に、２つの光干渉回路の隣接するアーム導波路に備えられている。すなわち、第１の光干渉回路１０１ａの図面上で下側のアーム導波路に熱光学位相シフタ１０２ａを備え、第２の光干渉回路１０１ｂの図面上で上側のアーム導波路に熱光学位相シフタ１０２ｂを備えている。第１の実施形態および第２の実施形態の各光回路との相違点は、熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂをそれぞれ含む、２つの電気経路の構成にある。本実施形態の光回路では、各光干渉回路の位相を制御する２つの電気回路は、電気的に別個独立に構成される。

第１の光干渉回路１０１ａに対しては、電圧印可端子９０１ａおよび電圧印可端子９０２ａの間で、熱光学位相シフタ１０２ａと抵抗素子９０３ａとが直列に接続されている。第２の実施形態と同様に、抵抗素子９０３ａが、隣接する光干渉回路１０１ｂの熱光学位相シフタの無い側のアーム導波路に配置されている。同様に、第２の光干渉回路１０１ｂに対しては、電圧印可端子９０１ｂおよび電圧印可端子９０２ｂの間で、熱光学位相シフタ１０２ｂと抵抗素子９０３ｂとが直列に接続されている。抵抗素子９０３ｂは、隣接する光干渉回路１０１ａの熱光学位相シフタの無い側のアーム導波路に配置されている。第２の実施形態の光回路と異なり、２つの電気経路は、コモン端子の代わりに、別々の第２の電圧端子９０２ａ、９０２ｂに接続され、電気的には独立した状態にある。したがって、２つの電気経路は共通部分を含まず、共通の抵抗素子も含んでおらず、第１の実施形態および第２の実施形態の光回路のような、隣接する光干渉回路の熱光学位相シフタの実質的な印可電圧対する電圧フィードバックは生じない。一方、熱クロストークを与える側の光干渉回路（１０１ａ、１０１ｂ）の位相制御のための電気経路が、熱クロストークを受ける側の光干渉回路（１０１ｂ、１０１ａ）にまたがって構成され、熱的フィードバックを与える抵抗体（９０３ａ、９０３ｂ）を、熱クロストークを受ける側の光干渉回路（１０１ｂ、１０１ａ）に配置している。

したがって本開示の光回路は、隣接する２つ以上の光干渉回路を含む光回路において、一端に第１の制御電圧Ｖｃｏｎｔ１が印可される第１の熱光学位相シフタ１０２ａを備えた第１の光干渉回路１０１ａと、前記第１の光干渉回路に隣接し、一端に第２の制御電圧Ｖｃｏｎｔ２が印可される第２の熱光学位相シフタ１０２ｂを備えた第２の光干渉回路１０１ｂとを備え、前記第１の熱光学位相シフタの他端に接続され、前記第２の光干渉回路の前記第２の熱光学位相シフタが無い側の導波路に配置された第１の抵抗体９０３ａと、前記第１の光干渉回路の前記第２の熱光学位相シフタの他端に接続され、前記第１の熱光学位相シフタが無い側の導波路に配置された第２の抵抗体９０３ｂとを備えた光回路として実施できる。

図９のような光回路の構成によって、一方の光干渉回路からの熱クロストークによって生じる位相変化と同量の位相変化を、他方の光干渉回路の熱光学位相シフタの無い側のアーム導波路の抵抗素子の発熱によって与えることができる。熱クロストークによる位相変化量と、熱光学位相シフタの無い側のアーム導波路の抵抗素子による位相変化量を事前に見積もることで、厳密に熱クロストークを補償することができる。

本実施形態では、熱光学位相シフタ１０２ａ、１０２ｂの抵抗値を５００Ω、抵抗体９０３ａ、９０３ｂの抵抗値を２５Ωとした。熱光学位相シフタ１０２、１０２ｂのπシフト電力は１５ｍＷである。熱光学位相シフタ１０２ａからの光干渉回路１０１ｂへの熱クロストーク量は５％である。

図１０は、第３の実施形態の光回路における光干渉回路間の熱クロストークの抑制効果を示す図である。図１０の（ａ）は、図１に示した従来技術の光干渉回路における熱クロストーク特性を表しており、図１０の（ｂ）は、図９の第３の実施形態の光回路における熱クロストーク特性を表している。いずれのグラフも、電圧印加端子９０３ａの制御電圧Ｖｃｏｎｔ１を変化させ（横軸）、電圧印加端子１０３ｂの電圧Ｖｃｏｎｔ２を３Ｖの一定値に保持した場合に、制御電圧Ｖｃｏｎｔ１が隣接する光干渉回路１０１ｂの位相特性に与える影響を示している。各電気経路の低電位側端子９０２ａの電位Ｖｃｏｎｔ３と、低電位側端子９０２ｂの電位Ｖｃｏｎｔ４はそれぞれグランド電位とした。縦軸は、隣接する光干渉回路１０１ｂの熱光学位相シフタ１０２ａの出力側における位相を示している。

熱クロストークが無い理想的な状態では、電圧印加端子１０３ａの制御電圧Ｖｃｏｎｔ１に依らず、隣接する光干渉回路１０１ｂの位相は一定となるはずである。実際には図３の（ａ）に示したように、制御電圧Ｖｃｏｎｔ１が大きい領域で熱クロストークの影響を受け、隣接する光干渉回路１０１ｂの位相は０．６ｒａｄ（熱クロストーク５％に相当）変動している。一方、図１０の（ｂ）に示した第３の実施形態の光回路では、隣接する光干渉回路１０１ｂの位相の変動量は０．１ｒａｄ以下（熱クロストーク０．１％以下に相当）に抑制されている。このように第３の実施形態の光回路は、一方の光干渉回路の熱光学位相シフタの抵抗値と、他方の光干渉回路の抵抗体の抵抗値との比が熱クロストーク量と等しい場合に、熱クロストークが厳密にキャンセルされる。熱クロストークは当然に１００％より小さいため、熱クロストークを受ける側の光干渉回路の抵抗素子の抵抗値は、熱クロストークを与える側の光干渉回路の熱光学位相シフタの抵抗値より小さくすべきである。

上述のすべての実施形態で、電圧印加端子や、コモン端子への電圧は一例であって、光干渉回路の熱光学位相シフタに対して所望の位相制御ができるよう、様々な電圧値を適用できるのは言うまでもない。電圧印加端子とコモン端子に所定の電圧が印可できれば、コモン端子の電圧は、正の電圧、グランド、負の電圧を問わない。

第２の実施形態および第３の実施形態では、２つの光干渉回路の場合の構成例を示した。しかしながら、第１の実施形態に対する第１の変形例であるリング型光干渉回路を第２の実施形態および第３の実施形態にそれぞれ適用することができる。また、第２の変形例、第３の変形例における光干渉回路の並列数を増やした構成も、第２の実施形態および第３の実施形態にそれぞれ適用することができる。また、上述の各構成例では、熱光学位相シフタを単一の抵抗体として示しているが、複数個の抵抗体によって置き換えても良い。熱光学位相シフタや抵抗素子の材料や製造法も、発熱によって導波路の屈折率を変化させることができる限り、上述の例だけに限定されない。

本開示の光回路によって、熱クロストークの問題が大幅に改善される。光減衰器のほか様々な信号処理機能を実現するため光送受信デバイスの小型化、大容量化に資することができる。

本発明は、通信に利用できる。より具体的には光通信に利用できる。

Claims

隣接する２つ以上の光干渉回路を含む光回路において、
一端に第１の制御電圧が印可される第１の熱光学位相シフタを備えた第１の光干渉回路と、
前記第１の光干渉回路に隣接し、一端に第２の制御電圧が印可される第２の熱光学位相シフタを備えた第２の光干渉回路と
を備え、
前記第１の熱光学位相シフタの他端および前記第２の熱光学位相シフタの他端に接続され、共通電位に向かって、前記第１の熱光学位相シフタおよび前記第２の熱光学位相シフタからの各電流が流れる抵抗素子を備え、
前記第１の光干渉回路および前記第２の光干渉回路は、マッハツェンダ型干渉計であって、前記第１の熱光学位相シフタおよび前記第２の熱光学位相シフタを隣接する導波路に備えており、
前記抵抗素子は、２つの抵抗体であって、それぞれ前記第１の熱光学位相シフタおよび前記第２の熱光学位相シフタが無い側の導波路に配置され、
前記第１の制御電圧および前記共通電位の間の第１の電気経路、および前記第２の制御電圧および前記共通電位の間の第２の電気経路を、前記２つの抵抗体においてそれぞれ共有していることを特徴とする光回路。
前記第１の制御電圧が印可される第１の電圧端子と、前記第２の制御電圧が印可される第２の電圧端子とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の光回路。