JPH0660803B2 - マツハ・ツエンダ−形光干渉計 - Google Patents

マツハ・ツエンダ−形光干渉計

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JPH0660803B2
JPH0660803B2 JP61159549A JP15954986A JPH0660803B2 JP H0660803 B2 JPH0660803 B2 JP H0660803B2 JP 61159549 A JP61159549 A JP 61159549A JP 15954986 A JP15954986 A JP 15954986A JP H0660803 B2 JPH0660803 B2 JP H0660803B2
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optical
interferometer
optical interferometer
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optical waveguide
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正夫 河内
範夫 高戸
光保 安
要 神宮寺
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はマッハ・ツェンダー形光干渉計に関するもの
で、さらに詳しくは入射光の偏光方向にかかわらず安定
動作の可能なマッハ・ツェンダー形光干渉計に関するも
のである。
(従来の技術) 2個の光結合器、例えば方向性結合器を2本の光導波路
で連結して構成される光干渉計はマッハ・ツェンダー形
光干渉計と呼ばれ、光スイッチや光センサ、さらに最近
では周波数多重光通信合分波器に使用されている。この
光干渉計はその構成により、(1)バルク形、(2)ファイバ
形、(3)導波形の3種類に分類できるが、信頼性、生産
性及び小型軽量性等の理由から、平面基板上に構成する
導波形のものが最有望視されている。
また光干渉計は、光路構成面から、(a)対称形と(b)非対
称形に分類することもできる。対称形は2個の光結合器
を連結する2本の光導波路の長さがほぼ等しいものであ
り、非対称形は故意にそれ等の長さに差を与えたもので
ある。
第5図は、温度センサへの応用を目的として構成された
従来の非対称導波形光干渉計の構成の説明図である。
基板1上に形成された方向性結合器2,3は近接した2
本の光導波路からなり、その結合率はいずれも50%にな
るように設定されている。また方向性結合器2,3の間
を連結する2本の光導波路4,5は長さがLだけ異なっ
ている。
入力ポート1aから入射された光は、光路長差nL(こ
こでnは導波路の実効屈折率である)が光波長λの整数
倍Nλ(ここでNは零を除く整数である)に等しい場合
には出力ポート2bから出射されるが、光路長差nLが
(Nλ+λ/2)に等しい場合には出力ポート1bから
出射される。もし光路長差nLが熱光学効果により変化
すると、例えば出力ポート1b,2bの出力光強度は相
補的に強くなったり零になったりする状態を繰り返して
振動、すなわち干渉する。従って出力光強度をモニター
することにより温度センサとして機能させることができ
る。
しかし、この従来の導波形光干渉計では以下のような問
題点があった。すなわち、基板1上に形成された光導波
路4,5は基板からの応力などに起因する複屈折性を有
し、実効屈折率nが入射光の偏光方向により僅か異なる
ため、上述の干渉条件が基板に垂直な偏光方向を有する
入射光(TM波)と水平な偏光方向を有する入射光(T
E波)とでは異なり、入射光の偏光方向をいずれか一方
に合わせておかないと温度センサとしてのSN比が劣化
し、場合によっては全く動作不能になるという問題があ
った。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明は、従来の導波形光干渉計の上述の欠点を解決
し、入射光の偏光方向に依存しない光干渉計を提供する
ことにある。
(問題点を解決するための手段) 上述の従来技術の問題点を解決する方法としては、光導
波路の複屈折を零にすることがまず考えられるが、平面
基板上に形成される光導波路において複屈折を零にする
ことは作製上極めて困難である。本発明はむしろ光導波
路の複屈折を積極的に活用して、実効的に光干渉計の偏
光依存性を解消するものである。
TM波とTE波の実効屈折率の差を複屈折値Bとする
と、偏光方向に依る光路長差はBLで与えられる。本発
明はBLが使用光の波長の整数値になるように、あらか
じめBあるいはLを(あるいはその双方共に)設定して
おくことを最大の特徴としている。すなわち、光波長λ
の整数倍の光位相差は光干渉計では識別できないことか
ら、見掛け上TM波の干渉条件とTE波の干渉条件が一
致することに着目したものである。
このような設定により、従来問題であったTM波の干渉
条件とTE波の干渉条件のずれは解消し、光干渉計は入
射波の偏光状態に依らず同一の動作をすることができ
る。
(実施例) 以下、本発明の具体例を図面を参照し、実施例によって
詳細に説明する。同じ符号によって図中に示された要素
は同じものを表している。
実施例1 第1図は、本発明の第1の実施例を説明する図であっ
て、シリコン基板21上に2本の石英系ガラス単一モード
光導波路24,25が形成され、これに方向性結合器(結合
比50%)2,3を連結した非対称形光干渉計を構成して
いる。
第2図(a),(b)は、それぞれ第1図の破線A−A′、B
−B′に対応する部分の拡大断面図である。第2図に示
すように、基板21上に石英系ガラスクラッド層22が形成
されており、そのクラッド層22の中に形成された2本の
石英系ガラスコア部が2本の光導波路24,25を構成して
いる。第1図および第2図(b)において、これら2本の
石英系ガラス光導波路24,25はエバネッセント結合する
よう近接して方向性結合器2,3を形成している。
光導波路24,25の断面寸法は光干渉計に接続すべき単一
モード光ファイバのコア径にあわせて約8μm程度に設
定されており、クラッド層22の厚さは数10μmである。
このような石英系単一モード光導波路は、SiCl,Ti
Cl等の原料ガスの火炎加水分解反応によるガラス膜
の堆積技術と反応性イオンエッチング技術との組合わせ
による周知の方法で作製できる。
石英系ガラス単一モード光導波路24,25には、シリコン
基板と石英ガラスの熱膨張係数差に起因する強い残留応
力が作用しており、この応力を主要因として誘起される
複屈折値はB=2.5 ×10-4と実測された。
入力ポート1aに入射される光は、ここでは波長λ=1.
52μmのHeNeレーザ光である。光導波路24と25の長さの
差Lは、BL積がλの4倍となるようL=2.43cmに設定
した。
第3図は温度と相対光出力の関係を示す図であり、第3
図(a)は上記の光干渉計を恒温槽に入れて周囲温度を変
化させた場合の出力ポート1bの相対光出力の強度をプ
ロットしたものである。相対光出力強度は、TM入射
波、TE入射波いずれも同一の温度依存性を示し、偏光
依存性は観察されなかった。比較のために、上述のBL
値とλとの整合条件を考慮せずに作製した光干渉計の特
性を第3図(b)に示したが、TM波とTE波とは、ずれ
た温度依存性を示し、温度センサとして使用するために
は入射偏向方向の精密な制御の必要なことが分かった。
BL積がλの整数値であれば上述の実施例のように偏光
依存性は解消できるが、BLがλの3倍、2倍、1倍と
小さくなるにつれてLが小さくなるので、温度センサと
しての温度敏感性はゆるくなる。逆にBLがλの5倍、
6倍、7倍……と大きくなると温度敏感性は高まるが、
BL値をλの整数値に正確に設定するにはBあるいはL
の設定要求情報がきびしくなることに注意すべきであ
る。
BL値をλの整数倍に設定するに際して、実際には作製
上の原因に基づく設定誤差を伴うが、通常の光干渉計の
応用では数%の誤差は通常許容される。
実施例2 第4図は、本発明の第2の実施例を説明する図であっ
て、これは周波数多重光通信用合分波器に用いるもので
ある。シリコン基板21上に石英系ガラス単一モード光導
波路24,25により光干渉計が構成されていることは実施
例1と同様である。光導波路24の一部には、上面に位相
制御用に発熱体26が装荷され、この発熱体は例えばニク
ロム金属膜からなっている。
入力ポート1aから入射した2つの信号光はそれぞれ周
波数f1,f2を有し、その差Δf=f1−f2は例えば20GHz
であるとする。この2つの信号光は発熱体26により光導
波路24の実効的光路長を光波長の数分の1のオーダーで
調節することにより、出力ポート1b,2bに分離され
て出射する。
周波数f1,f2の2つの信号光は波長1.52μm帯のDFB レ
ーザに精密な周波数制御を施して得ている。方向性結合
器2,3を連結する光導波路24,25の長さの差Lは、Δ
f=20GHz に対応して (ここでCは光速である)の関係を満たすようにL=0.
51cmに設定されている。光導波路の複屈折値Bは、シリ
コン基板上の石英系光導波路の場合、そのガラス組成に
より0.5 ×10-4〜4×10-4程度の範囲で調節可能であ
り、BL=λとなるようB=2.98×10-4に調節されてい
る。このようなB値の調節は石英系ガラス単一モード光
導波路を構成する石英系ガラス材料の組成調節によって
行ったが、基板の厚さやクラッド層の厚さを変えること
によってもB値の微細調整を行うことが可能である。
BL=λの整合条件を満足する上記の光干渉計は、周波
数f1,f2の信号光の入射偏光方向に存在しないで周波数
分離作用を行うことができる。第4図において信号光を
逆方向に進行させれば、合波作用を行うこともできるこ
とは言うまでもない。
Δf=10GHz の場合には、L=1.02cmとする必要がある
が、この場合にはB値の選択によりBL=λ(B=1.49
×10-4)とするか、BL=2λ(B=2.98×10-4)にす
るかの任意性がある。しかし、Δf=20GHz とΔf=10
GHz の光干渉計を同一基板上に集積して構成するにはB
値を共通に選ぶことが望ましく、B=2.98×10-4に統一
しておく必要がある。同一基板上にさらにΔf=5GHz
の光干渉計を構成するには、B=2.98×10-4として、B
L=4λの整合条件を満足させることができる。このよ
うにして、Δf=5GHz 、10GHz 、20GHz の光干渉計を
適正に連結すると、周波数間隔5GHz で8波の信号光の
合分波作用を、信号光の偏光方向にかかわらず行わせる
こともできる。
以上の実施例ではシリコン基板を用いた場合について説
明したが、整合上より小さいB値が望ましい場合には、
石英ガラス基板上に光干渉計を構成することもできる。
またより大きいB値を所望する場合には、窒化シリコン
(Si3N)基板等の石英ガラスとの熱膨脹係数差の大き
い基板を用いる必要がある。
なおB値を所望の値に調節するために、光導波路の上面
に応力調節用の異種材料膜、例えば金属膜を蒸着する等
の手段で装荷しておくこともできる。また機械的な圧力
を外部から与える等の方法も有効であるが、この際、PZ
T 板のような圧電体を貼り付けて電圧を印加することに
より圧力を与える等の方法を採用してもよい。
本発明は石英系単一モード光導波路のみに限定されるも
のでなく、複屈折性を有するLiNbO3系光導波路やイオン
拡散ガラス光導波路等の他の材料の光導波路を用いた光
干渉計にも同様に適用できる。また光導波路として複屈
折性単一モード光ファイバを用いた光干渉計にも適用で
きる。
これまでの実施例ではB値が光導波路に沿って一定であ
る場合を扱ってきたが、光結合器を結ぶ2本の光導波路
間で異なる場合や、光導波路の長手方向に沿って変化す
る場合には、2本の光導波路に沿うB値の線積分値∫B
dlと∫Bdlの差が光波長の整数倍になるように
設定すればよい。ここでl,lはそれぞれ2本の光
導波路に沿う線座標である。
また以上の実施例では、光結合器として方向性結合器を
用いた場合について述べたが、光結合器としてY分岐形
結合器等を用いる場合についても本発明を適用できるこ
とはもちろんである。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明では光導波路の複屈折性か
ら生じる非対称形光干渉計の偏光方向依存性を、特徴的
な整合条件を満足させることにより解消できるので、偏
光方向によらない安定な光干渉動作が達成できる。また
従来、光干渉計の前段に設置する必要のあった偏波面コ
ントローラが全く省略できるので、光センサや光通信シ
ステムの構成を簡略化でき、光技術の応用面の拡大に効
果が大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例である温度センサ用光干
渉計の構成図、 第2図(a)は第1図のA−A′における拡大断面図、 第2図(b)は第1図のB−B′における拡大断面図、 第3図(a)は第1の実施例の光干渉計の温度特性図、 第3図(b)は従来の光干渉計の温度特性の1例を示す
図、 第4図は本発明の第2の実施例である周波数多重光通信
用合分波器としての光干渉計の構成図、 第5図は従来の非対称形光干渉計の構成図である。 1……基板、1a,2a……入力ポート 1b,2b……出力ポート、2,3……方向性結合器 4,5……光導波路、21……シリコン基板 22……クラッド層 24,25……石英系ガラス単一モード光導波路 26……発熱体
フロントページの続き (72)発明者 安 光保 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内 (72)発明者 神宮寺 要 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2個の光結合器を長さの異なる2本の光導
    波路で連結してなるマッハ・ツェンダー形光干渉計にお
    いて、2本の該光導波路間の長さの差Lと、該光導波路
    の複屈折値Bとの積BLが、使用光波長λの整数倍(零を
    除く)にほぼ等しいことを特徴とするマッハ・ツェンダ
    ー形光干渉計。
  2. 【請求項2】該光導波路が基板上に設けられた複屈折性
    単一モード光導波路であることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項に記載のマッハ・ツェンダー形光干渉計。
JP61159549A 1986-07-09 1986-07-09 マツハ・ツエンダ−形光干渉計 Expired - Lifetime JPH0660803B2 (ja)

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JP3067697B2 (ja) * 1997-06-25 2000-07-17 日本電気株式会社 位相差測定装置
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