JPS6316204A - マツハ・ツエンダ−形光干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、光スィッチや光センサ、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、（ａｌ対称形と（ｂ
ｌ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８Ｉの構成の説明図である。

ＭＦｉｌ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、その粘合率はいずれも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木の光導波路４．５は長さがしたけ異
なっている。

入カポ−）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（Ｔ　Ｍ波）と水平な偏光方向を有する入射光（
ＴＥ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
波路の複屈折を雰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４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
（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
、見掛は上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。

実上斑上 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
光専波路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（ａｌ、（′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［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（ｂｌにお
いて、これら２本の石英系ガラス光導波路２４．２５は
エバネソ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、５Ｉ
Ｃ１４，ＴｉＣＩａ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ツチング技術
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２．ｉ、　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　Ｘｌ０−’と実測され
た。

入カポ−）１ａに入射される光は、ここでは波長λ＝１
．５２μｍのＨｅ　Ｎ　ｅレーザ光である。光導波路２
４と２５の長さの差しは、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
プ四ノ１−シたものである。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Ｂ
Ｌ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（ｂｌ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
めには入射偏光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の設定要求精度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１ｆｆｌ常許容される。

ス五〇生側 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。

入カポ−Ｚａから入射した２つの信号光はそれぞれ周波
数ｆ、、　ｆ２を有し、その差Δｆ＝ｆ＋ｆｚは例えば
２０ＧＨｚであるとする。この２つの信号光は発熱体２
６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ｌｂ、
２ｂに分離されて出射する。

周波数り、ｆｚ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゜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　Ｘｌ０−’〜４Ｘ１０−’程
度の範囲で調節可能であり、ＢＬ＝λとなるようＢ　＝
　２．９８　Ｘ　１０−　’に２周ｎＮされている。こ
のようなり値の調節は石英系ガラス単一モード光五波路
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、６＋Ｈ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ｆ、、　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　＝　１．０２（Ｊ
ｌ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　Ｘ　１０−’　）とす
るか、ＢＬ＝２λ（Ｂ　＝　２．９８　Ｘ　１０−　’
）にするかの任意性がある。しかし、Δｆ　＝２０Ｇｔ
ｌｚとΔｆ＝１０ＧＨｚ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　Ｘ　１０−’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　Ｘ　１０−　’として
、ＢＬ＝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　＝　５Ｇｔｌｚ　、１０ＧＩＩｚ
　。

２０ＧＨｚの光干渉計を適正に連結すると、周波数間隔
５　ＧＨｚ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
（ＳｉＪ４）基板等の石英ガラスとの熱膨張係数差の大
きい基板を用いる必要がある。

なおり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、例えば金属膜を芸着する等
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、Ｐ
ＺＴ仮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系光ぷ波路や
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木の光導波路
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木の光導波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１．、Ｉ１２はそれぞれ
２木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（ｂｌ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ｆｂｌ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・・・入力ボ
ートｌｂ、２ｂ・・・出力ボート　２，３・・・方向性
結合器４．５・・・光導波路　　　　２１・・・シリコ
ン基板２２・・・クラフト層 ２４、２５・・・石英系ガラス単一モード光４波路２６
・・・発熱体 特許出願人　日本電信電話株式会社 第１図 第３図 （ａン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、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。