WO2011108617A1 - アサーマル光導波素子 - Google Patents

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WO2011108617A1
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voltage
resonance wavelength
optical
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信夫 鈴木
正文 中田
隆徳 清水
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日本電気株式会社
株式会社 東芝
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    • G02F2203/60—Temperature independent

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide device including an athermalized ring resonator, and more particularly to an optical waveguide device such as an optical multiplexer / demultiplexer or an optical modulator.
  • Si optical waveguides with a large difference in refractive index between the core and surroundings or dielectric optical waveguides such as SiON has been used to integrate optical waveguide elements.
  • the miniaturization of optical integrated circuits is being promoted.
  • a typical cross-sectional dimension of a Si optical waveguide having a wavelength of 1.55 ⁇ m is 220 nm ⁇ 450 nm, and bending with a low loss of a radius of curvature of several ⁇ m is possible.
  • the waveguide width is about 1 ⁇ m, and low loss bending with a radius of curvature of about 10 ⁇ m is possible.
  • the WDM includes an arrayed-waveguide grating (AWG), a multi-mode interference (MMI) filter, a Mach-Zehnder interferometer (MZI), an interposer, and a lattice filter.
  • AMG arrayed-waveguide grating
  • MMI multi-mode interference
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • interposer an interposer
  • lattice filter Various optical multiplexers / demultiplexers such as ring resonator type filters are used.
  • wavelength characteristics such as a resonance wavelength greatly change due to refractive index change or thermal expansion due to temperature change.
  • temperature control is used more actively, wavelength tunable filters and add / drop optical switches can be realized.
  • temperature control is associated with significant power consumption.
  • a temperature change of at least 20 ° C to 80 ° C (preferably 0 ° C to 100 ° C) Even if it exists, it is an essential condition that the resonance wavelength can be stabilized without temperature control.
  • Athermalization technology developed for silica-based waveguides for optical communication and InGaAsP-based waveguides to Si-based optical waveguides is being studied.
  • an optical multiplexer / demultiplexer (MZI, AWG, etc.) using the optical path length difference of a plurality of optical paths athermalization can be realized by bringing the temperature dependence of the optical path length difference close to zero. In this case, the optical path length itself may have temperature dependency.
  • an optical multiplexer / demultiplexer using a ring resonator can be reduced in size and has no reflected return light, it is expected to be applied to inter-chip / in-chip optical wiring.
  • the ring resonator type optical filter includes input / output optical waveguides 102 and 103 and ring-shaped optical waveguides 104a to 104d (hereinafter referred to as ring optical waveguides).
  • the ring optical waveguide includes modifications such as a racetrack resonator type and a microdisk resonator type.
  • Each of the ring resonators 104a to 104d has substantially the same resonance wavelength. If the number of ring resonators is increased and the coupling coefficient ⁇ of the directional couplers 105a to 105e is optimized, the transmission band can be expanded and the transmission wavelength characteristics can be made closer to flat.
  • the wavelength shift margin of the transmission band is only about ⁇ 0.5 nm. If a highly controllable CMOS process is used, the variation in equivalent refractive index within a narrow region can be suppressed to some extent, but at the center and edge of a large area wafer, the thickness and refractive index of each dielectric layer, waveguide, Since a slight shift occurs in the width and the like, it is difficult for all elements to obtain the designed characteristics. In the wavelength 1550 nm band, even if the equivalent refractive index is shifted by only 0.1%, the resonant wavelength shift is 1.55 nm.
  • the heater since the heater generally consumes a considerable amount of power, it cannot be applied to high-density optical wiring between chips or within chips. It is also possible to tune the resonance wavelength of the microring resonator using the electro-optic effect (see, for example, Non-Patent Document 2).
  • the resonance wavelength range (about ⁇ 1 nm) that can be tuned by the electro-optic effect is the temperature change ( ⁇ 100 ° C) assumed for LSI chips, the resonance wavelength shift amount (several nm or more) due to manufacturing process variations, and the filter.
  • Non-Patent Document 3 a method of tuning the resonance wavelength by applying a voltage to the liquid crystal using a liquid crystal material for the clad has been proposed (Non-Patent Document 3). Also in this case, the tuning range is 0.6 nm, which is insufficient as a temperature-dependent compensation means and a manufacturing variation correction means.
  • Non-Patent Document 4 a method of athermalizing by combining a core material and a clad material of an optical waveguide with a material having a refractive index temperature coefficient dn / dT having an opposite sign has been proposed (see, for example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 4 and 5). ).
  • the dn / dT of TiO 2 —SiO 2 as a core material is positive
  • the dn / dT of PMMA-TFMA used as a cladding material is negative.
  • a structure that compensates for changes in the equivalent refractive index due to temperature by appropriately adjusting the dimensions is employed.
  • Patent Document 1 various organic materials are used for the cladding material as a material having a negative refractive index temperature coefficient.
  • a method in which materials having different thermal expansion coefficients are combined and athermalized using a strain (stress) due to a bimetallic effect and a photoelastic effect see, for example, Patent Document 2
  • a method of compensating for the temperature coefficient of the refractive index of the above has also been proposed (see, for example, Patent Document 3).
  • Patent Document 3 there is a problem that application to high-density optical integrated circuits is difficult, and there is a concern about adverse effects on LSIs.
  • An object of the present invention is to provide an athermal optical waveguide element that can compensate for variations and fluctuations in resonance wavelength without increasing power consumption, and can fix the resonance wavelength to a desired value.
  • An athermal optical waveguide element includes at least one ring resonator including an athermalized optical waveguide formed by combining a material having a positive refractive index temperature coefficient and a negative material, and at least one of the optical waveguides.
  • Resonance wavelength changing means that is provided in part or in the vicinity and changes the resonance wavelength of the ring resonator by applying voltage; a light receiving element that detects at least one light output of the ring resonator as an electrical output; and resonance wavelength changing means And a voltage control circuit for adjusting the voltage applied to the light receiving element according to the electric output level of the light receiving element.
  • “athermalized” specifically means that, for example, the change in resonance wavelength in the temperature range of 20 ° C.
  • the ring resonator is a general resonator using resonance due to light circulation, such as a racetrack resonator composed of an arc portion and a straight portion, a disk-shaped micro disk resonator, and the like. Including. Further, not only a single ring resonator but also a multiple ring resonator composed of a plurality of circular optical waveguides is included.
  • the 3 dB wavelength band of the ring resonator is defined by the wavelength transmission characteristics of the output port that extracts (drops) the light of the resonance wavelength in an optical demultiplexer (optical filter) having a plurality of output optical ports.
  • an optical demultiplexer optical filter
  • it is defined by an absorption spectrum in the vicinity of a resonance wavelength when there is no modulation.
  • the athermal optical waveguide element of one embodiment of the present invention preferably includes a plurality of ring resonators, and the light receiving element and the voltage control circuit are shared by the plurality of ring resonators. Since the relative wavelength deviation is suppressed, a plurality of through outputs can be collectively received by the light receiving element, and the same voltage can be applied according to the output level to change the resonance wavelength. Compared with the case where the voltage applied to each wavelength demultiplexer is individually adjusted, the circuit scale can be significantly reduced and the power consumption can be saved.
  • the athermal optical waveguide element includes a plurality of ring resonators each having a plurality of channels whose resonance wavelengths are slightly different from adjacent channels, and the resonance wavelength changing means of each ring resonator includes a resonance resonator. It is preferable that the wavelength can be changed by 1/2 or more of the difference between the resonance wavelengths of adjacent channels. Since the wavelength can be changed in this way, it can be suitably used in a wavelength division multiplexing (WDM) system.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • a high-speed optical modulation circuit independent of the voltage control circuit may be further provided.
  • the resonance wavelength changing means changes the refractive index of the electro-optic material provided in a part of or near the waveguide by applying a voltage, thereby changing the resonance wavelength. It may be changed.
  • an electro-optical material is a ferroelectric, and a voltage can be applied to the electro-optical material more effectively by connecting and arranging between two electrodes for applying a voltage.
  • the resonance wavelength changing means generates strain or stress in a piezoelectric material provided in a part or in the vicinity of the optical waveguide by applying a voltage, and the photoelastic effect causes The resonance wavelength may be changed by changing the refractive index of a material in a part or the vicinity of the optical waveguide.
  • the resonance wavelength changing means changes the orientation of a liquid crystal material provided in a part of or near the optical waveguide by applying a voltage, so that the part of the optical waveguide can be changed.
  • the resonance wavelength may be changed by changing the refractive index of a nearby material.
  • the resonance wavelength of the ring resonator is a voltage applied to an electro-optic material, a piezoelectric material, or a liquid crystal material provided in a part or vicinity of the optical waveguide via an electrode provided in the vicinity of the optical waveguide constituting the resonator.
  • the equivalent refractive index of the optical waveguide can be adjusted to a desired value by the effect of electro-optical effect, change of strain or stress, photoelastic effect, change of alignment of liquid crystal, or a combination thereof.
  • the athermal optical waveguide element of the present invention it is possible to compensate for variations and fluctuations in the resonance wavelength without increasing the power consumption, and to fix the resonance wavelength to a desired value.
  • FIG. 1 is a plan layout diagram illustrating a schematic configuration of a quadruple ring resonator type optical filter according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a portion including the optical waveguide of the ring resonator according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a portion including the optical waveguide of the ring resonator according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a portion including an optical waveguide of a ring resonator showing a modification of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an eight-wave optical demultiplexer.
  • FIG. 1 is a plan layout diagram illustrating a schematic configuration of a quadruple ring resonator type optical filter according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a portion including the optical waveguide of the ring resonator according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a
  • FIG. 6A is a diagram illustrating a design value of a drop port output of each optical filter in the eight-wave optical demultiplexer.
  • FIG. 6B is a diagram illustrating design values of through-port outputs of optical filters in the 8-wave demultiplexer.
  • FIG. 7A is a partially enlarged view of FIG. 6A.
  • FIG. 7B is a partially enlarged view of FIG. 6B.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating another configuration example of the eight-wave optical demultiplexer.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a ring resonator type optical modulator according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the optical waveguide of the ring resonator type optical filter according to the third embodiment.
  • FIG. 11A is a diagram illustrating a modification of the third embodiment.
  • FIG. 11B is a diagram illustrating a modification of the third embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the optical waveguide of the ring resonator type optical filter according to the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the optical waveguide of the ring resonator type optical filter according to the fifth embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of an optical waveguide of a ring resonator type optical filter according to the sixth embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing a conventional ring resonator type optical filter.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of an optical filter that is an athermal optical waveguide device according to the present embodiment.
  • the quadruple ring resonator type optical filter 1 includes an input optical waveguide 2, an output optical waveguide 3, and four ring optical waveguides 4 (4a to 4d) provided in series therebetween, and each optical waveguide is directional. Optically coupled by a coupler 5 (5a to 5e).
  • Each of the ring optical waveguides 4a to 4d is made of Si-rich SiN.
  • PLZT lead lanthanum zirconate titanate
  • TiO ferroelectric electro-optic material 2 It consists of a core optical waveguide 7.
  • the width of these optical waveguides is about 800 nm.
  • PLZT / TiO 2 In the vicinity of the core optical waveguide 7, there is a PLZT / TiO 2
  • Outer electrodes 8a to 8d and inner electrodes 9a to 9d are provided so as to sandwich the core optical waveguide 7 from the left and right.
  • the distance between the electrodes 8a to 8d and 9a to 9d and the optical waveguide core 7 is set to 400 nm in order to avoid optical loss due to the electrodes.
  • the distance between the corresponding outer electrodes 8a to 8d and inner electrodes 9a to 9d is about 1.6 ⁇ m.
  • the input port 10 to which the wavelength multiplexed light is input is provided at one end of the input optical waveguide 2, and only the light included in the resonance wavelength band of the quadruple ring resonator filter 1 is output out of the input wavelength multiplexed light.
  • the drop port 11 is provided at one end of the output optical waveguide 3.
  • the through port 12 from which light of other wavelengths is output is provided at the other end of the input optical waveguide 2, and the light receiving element 13 for detecting the output is connected to the through port 12.
  • FIG. 2 shows PLZT / TiO 2
  • a cross-sectional view of a portion including the core optical waveguide 7 is shown in FIG. x / TiO 2 Sectional drawing of the part containing the core optical waveguide 6 is shown, respectively.
  • SiO on the Si substrate 20 2 A cladding layer 21 is formed, and this SiO 2 2 TiO having a thickness of 220 nm so that the clad layer 21 is surrounded on three sides.
  • PLZT 23 a laminated core optical waveguide 7, 220 nm thick TiO 2 2 22 and 180 nm thick Si-rich SiN x A core optical waveguide 6 on which 24a is laminated is formed at a predetermined position.
  • the electro-optic material is a ferroelectric (a dielectric constant ⁇ of PLZT r1 Depending on the composition, manufacturing method, etc., in the case of several hundred to several thousand), a material having a low dielectric constant (dielectric constant ⁇ ) between two electrodes for voltage application r2 ) Is inserted in series, a large electric field is applied to the material having a low dielectric constant (the electric field on the material side having a low dielectric constant at the interface perpendicular to the electric field lines is ⁇ on the ferroelectric side).
  • the electric field is not effectively applied to the ferroelectric substance. Therefore, it is preferable to connect the two electrodes by connecting them with a ferroelectric material.
  • the capacitance increases by connecting the two electrodes with a ferroelectric, but in the case of the present embodiment, the response speed depending on the capacitance is not particularly problematic.
  • the electric field concentrates on the ferroelectric, so it is perpendicular to the electric field lines of the ferroelectric.
  • the cross sectional area may be narrow.
  • the refractive index n of each material and its temperature coefficient dn / dT vary somewhat depending on the manufacturing method and wavelength, for example, the values shown in Table 1 can be mentioned. This will be described below using this value.
  • the polarization of the guided light is assumed to be used in the TE mode (the direction of the optical electric field is horizontal to the substrate).
  • the core optical waveguide 6 is also PLZT / TiO. 2
  • the core optical waveguide 7 also has substantially the same equivalent refractive index (n eff ⁇ 1.75).
  • the temperature coefficient dn of the equivalent refractive index eff / DT is TiO 2
  • the optical waveguide can be made smaller than the optical waveguide not including 22.
  • the PLZT 23a has an electro-optic constant r when the voltage of the outer electrode 8 is higher than that of the inner electrode 9. 33 The direction of polarization is aligned in advance by poling so that the refractive index increases via the. Depending on the direction of the electric field, PLZT / TiO 2 Since the equivalent refractive index of the core optical waveguide 7 can be increased or decreased, the resonance wavelength can be adjusted to a desired value. Wavelength multiplexed light is filtered by the optical filter configured as described above as follows.
  • wavelength multiplexed light is input from the input port 10 and only light included in the resonance wavelength band of the quadruple ring resonator filter 1 is output from the drop port 11 via the quadruple ring resonator filter 1.
  • Filtered by Light of other wavelengths is output from the through port 12 and the light output is detected by the light receiving element 13.
  • the voltage applied between the corresponding outer electrodes 8a to 8d and inner electrodes 9a to 9d is controlled by the voltage control circuit 14 in accordance with the electric output level from the light receiving element 13. At this time, the voltage applied between the electrodes 8 and 9 from the voltage control circuit 14 is feedback controlled so that the output of the light receiving element 13 is minimized.
  • the DC voltage applied to the ring resonator filter 1 is superposed with a minute voltage having a low frequency f so that the frequency f component detected by the light receiving element 13 is minimized.
  • the voltage is controlled.
  • the voltage value to be applied is calibrated using the light source used in the actual operation during the calibration mode set between the actual operations, and the voltage value is maintained in the subsequent actual operation mode.
  • the voltage control circuit 14 requires a power source different from that for the CMOS circuit, but the maximum value (for example, ⁇ 30 V) of the applied voltage is, for example, in the case of integration of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) and CMOS. It is the same as in the case of a low-voltage power element, and does not require a large current capacity.
  • the structure shown in FIGS. 2 and 3 is used as an example of the optical waveguide, but various modifications are possible.
  • the upper portion of the optical waveguide core 7 and the electrodes 8 and 9 are made of SiO 2 2 It may be embedded by the clad 21b. With such a structure, surface leakage current can be prevented and breakdown voltage can be improved.
  • the PLZTs 23 a and 23 b may have a forward mesa shape in which the lower part of the PLZT extends left and right, instead of the reverse mesa shape in which the upper part extends left and right.
  • the position 22 may be moved onto the PLZT 23a.
  • Si rich SiN x / TiO 2 The cross-sectional structure of the core optical waveguide 6 is also PLZT / TiO. 2 It is preferable to change so as to correspond to the cross-sectional structure of the core optical waveguide 7.
  • the optical waveguide may contain other materials. For example, in order to concentrate the electric field on the PLZT layer 23, SiO 2 SrTiO having a thickness of about 100 nm is formed immediately below the PLZT layer 23b. 3 A membrane or the like may be inserted. In addition, for each layer, various combinations of thickness and length are possible.
  • FIG. 1 shows a case where the ring optical waveguides 4a to 4d are circular.
  • a racetrack type in which a linear portion is provided in the directional coupler unit 5, a desired coupling coefficient is realized.
  • the gap width can be easily controlled.
  • the radius may be 6 ⁇ m
  • the straight portion may be 14.6 ⁇ m
  • the circumference may be about 67 ⁇ m.
  • the coupling coefficient ⁇ of the directional coupler can be adjusted by the gap width between the two waveguides.
  • the coupling coefficient of each directional coupler can be adjusted as follows, for example, so that the transmission spectrum of the drop port is as flat as possible. That is, the coupling coefficient of the directional couplers 5a and 5e between the input / output optical waveguides 2 and 3 and the outer ring optical waveguides 4a and 4d is expressed as ⁇ .
  • the coupling coefficient of the directional couplers 5b and 5d between the outer ring optical waveguides 4a and 4d and the inner ring optical waveguides 4b and 4c is represented by ⁇ .
  • the feedback method of the present embodiment can also be used for temperature compensation when athermalization is insufficient due to device fabrication accuracy and variations.
  • the range of resonance wavelengths that can be moved by feedback is smaller than when using temperature changes due to micro heaters and substrate cooling.
  • the temperature dependence of the resonance wavelength is suppressed to be very small, so that the resonance wavelength can be kept constant even by temperature compensation according to this method. Even in this case, power consumption can be significantly reduced as compared with temperature compensation by micro heater or substrate cooling.
  • by using an athermalized optical waveguide partly including an electro-optic material and performing feedback control by the light receiving element and the voltage control circuit the voltage is increased according to the electric output level from the light receiving element.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an 8-wavelength optical demultiplexer showing an application example of the first embodiment.
  • eight quadruple ring resonator type optical filters having the same configuration as in FIG. 1 are used.
  • Each ring resonator is set to have a long circumference of about 110 nm from the optical filters 1a to 1h so that the resonance wavelength is shifted to the long wavelength side by, for example, 2 nm.
  • the free spectral range (FSR), which is the period of the wavelength characteristic of the filter, is set to 16 nm, which is 8 times the resonant wavelength interval of 2 nm. If the periodicity is used, for example, it is possible to demultiplex four wavelengths from 32 wavelengths at intervals of 2 nm to four wavelengths at intervals of 16 nm.
  • FIG. 6A and 6B are diagrams in which design values of wavelength characteristics of outputs of the respective optical filters in such an 8-wavelength optical demultiplexer are overwritten.
  • FIG. 6A shows a drop port output
  • FIG. 6B shows a through port output.
  • FIG. 7A and FIG. 7B are enlarged views, respectively.
  • the solid line is the characteristic at 0 ° C.
  • the dotted line is the characteristic at 100 ° C.
  • the 1 dB band of the drop characteristics of each filter is about 0.6 nm
  • the 3 dB band is about 0.8 nm.
  • a minute voltage with a low frequency f is superimposed on the DC voltage applied to the ring resonator filters 1a to 1h, and the frequency f detected by the light receiving element 13 is superimposed.
  • the applied voltage is controlled so that the component is minimized. From the comparison of the phase of the frequency f component applied to the ring resonator filters 1a to 1h and the phase of the frequency f component detected by the light receiving element 13, it is determined whether the applied voltage should be increased or decreased.
  • the resonance wavelength interval of the filters 1a to 1h is 2 nm and has a characteristic of 16 nm period.
  • a voltage of up to ⁇ 30 V can be applied, so that the wavelength can be adjusted by ⁇ 1 nm or more. is there.
  • the relative wavelength deviation in the wavelength demultiplexer is small, and can be suppressed to, for example, ⁇ 0.2 nm. Therefore, the eight-wave through output is collectively received by the light receiving element 13 to obtain eight wavelengths.
  • the circuit scale can be significantly reduced and power consumption can be reduced as compared with the case where the voltage applied to each wavelength demultiplexer is individually adjusted. .
  • the resonance wavelengths are controlled so that the influence of deviation from the cutoff band as a whole is minimized by monitoring the total output of the eight waves. Will be. In a large-scale optical integrated device in which a plurality of such optical multiplexers / demultiplexers are integrated at other locations in the chip, only the output of a typical wavelength demultiplexer in a certain region is monitored by the light receiving device.
  • the same voltage may be applied to all the optical multiplexers / demultiplexers in the region.
  • the area and power consumption of the voltage control circuit can be further suppressed.
  • the resonance wavelength of the optical multiplexer can be simultaneously controlled by the voltage from the feedback voltage control circuit of the nearby optical demultiplexer. If the accuracy of the manufacturing process is not so high, it is necessary to be able to apply different voltages to the individual rings.
  • the common calibration light-receiving element 13 can be used in a time division manner for each wavelength channel. Alternatively, as shown in FIG.
  • the outputs of the light outputs 11a to 11h are monitored by the light receiving elements 15a to 15h of the respective wavelength channels used in the actual operation, and the outputs of the light receiving elements 15a to 15h are maximized for each wavelength channel. You may adjust. Since the light receiving elements 15a to 15h used for optical data transmission in the actual operation mode and the transimpedance amplifiers (TIAs) 16a to 16h can be used in a time-sharing manner, it is necessary to provide a light receiving element dedicated to feedback and a light receiving circuit. There is no. The outputs of the TIAs 16a to 16h are simultaneously output to the voltage control circuit 14 and the digital circuits 17a to 17h, and the former is used in the calibration mode and the latter in the actual operation mode.
  • TIAs 16a to 16h are simultaneously output to the voltage control circuit 14 and the digital circuits 17a to 17h, and the former is used in the calibration mode and the latter in the actual operation mode.
  • an 8-wavelength optical demultiplexer is described as an example, but the present invention is not limited to 8 channels, and can be applied to a plurality of channels. According to the present embodiment, even in an optical demultiplexer having a plurality of channels whose resonance wavelengths are slightly different from adjacent channels, as in the first embodiment, variations in the resonance wavelength depending on the position in the wafer and the wavelength characteristics of the optical filter. The gradual change in the light source wavelength can be automatically compensated without substantial power consumption.
  • FIG. 9 shows PLZT / TiO according to the present embodiment. 2 It is a schematic block diagram of a ring resonator type optical modulator.
  • This optical modulator is composed of SiN x System input / output optical waveguide 31 and TiO with negative dn / dT 2 By appropriately setting the thickness, length, etc., the temperature dependence of the resonance wavelength is set to be extremely small, and PLZT / TiO is athermalized.
  • 2 Ring resonator 32 and SiN x A system monitor optical waveguide 33 is configured to be coupled via directional couplers 34a and 34b.
  • the ring resonator 32 is optimized for high-speed modulation, is capable of high-speed optical modulation of 10 Gbps, and is optimized to withstand application of a DC high voltage of several tens of volts, an optical modulation unit 35 that suppresses the capacitance between electrodes.
  • the resonance wavelength control unit 36 and the directional coupler unit 37 are provided.
  • the directional coupler unit 37 has the same structure as that of the input / output optical waveguide 31 and the monitor optical waveguide 33. x The remaining part is PLZT and TiO 2 Is a laminated optical waveguide. In both cases, the cladding layer is made of SiO. 2 It is.
  • the monitor optical waveguide 33 controls the direct-current voltage to the resonance wavelength control unit 36 in order to control the resonance wavelength according to the light receiving element 38 for monitoring the output and the electric output level from the light receiving element 38.
  • a drive circuit 40 for driving the light modulation unit 35 independent of the voltage control circuit 39.
  • PLZT / TiO of ring resonator 32 2 A common electrode (not shown) is embedded in the lower part of the laminated optical waveguide, and modulation and DC bias electrodes are provided above the light modulation unit 35 and the resonance wavelength control unit 36, respectively. .
  • the direction of polarization is aligned in the vertical direction corresponding to such a vertical electrode.
  • the polarization may be aligned in the horizontal direction on the substrate by a horizontal electrode as shown in FIG. That is, in the optical modulator of this embodiment, a resonance wavelength control unit 36 for applying a DC voltage is provided separately from the optical modulation unit 35, and the monitor optical waveguide 33, the light receiving element 38, and the voltage control.
  • the circuit 39 is different from the conventional optical modulator in that a circuit 39 is added.
  • the optical modulator having such a configuration light having the same wavelength as the resonance wavelength of the ring resonator 32 in a state where no optical modulation signal is applied is incident from one end 41 of the input / output waveguide. Part of the input light is subjected to radiation loss at the ring resonator 32, and most of the remaining light is output to the monitor optical waveguide 33, so that it is hardly output to the output port.
  • a voltage having an amplitude of about 5 V is applied to the light modulator 35, the resonance wavelength of the ring resonator 32 changes, and the wavelength of the light source is outside the band of the ring resonator 32. Is output from.
  • the monitor optical waveguide 33 is connected to the light receiving element 38 and its output is fed back to the voltage control circuit 39.
  • the modulation unit 35 is provided with an idle calibration mode, and the voltage applied to the resonance wavelength control unit 36 is controlled by the voltage control circuit 39 so that the output of the light receiving element 40 is maximized in the calibration mode.
  • the wavelength of the light source can be matched with the resonance wavelength at the time of no modulation.
  • control can be performed so that the amplitude of the modulation component output to the light receiving element 39 is maximized during the actual modulation operation.
  • the optical modulator according to the present embodiment can perform a high extinction ratio modulation operation without depending on temperature. In addition, even when there are variations between elements due to the manufacturing process, characteristics sufficient for practical use can be obtained without applying a large DC bias voltage to the light modulation unit in order to make the light source wavelength coincide with the resonance wavelength. .
  • the light modulator 35 is driven by a drive circuit 40 independent of the voltage control circuit 39. Since the high-speed modulation and the DC bias are separated, restrictions on the circuit configuration are greatly relaxed. In addition, each region can be independently optimized for high-speed modulation and DC high voltage application. Specifically, the material and structure are optimized such that the PLZT of the light modulation unit 35 has a high frequency and low dielectric loss composition, and the PLZT of the resonance wavelength control unit 36 has a composition that increases the electro-optic coefficient at DC. As a result, high performance characteristics can be realized. Furthermore, by integrating a plurality of optical modulators of the present embodiment with the resonant wavelengths shifted little by little, it becomes possible to apply to WDM transmission.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of an optical waveguide constituting the ring resonator type optical filter according to the present embodiment.
  • the planar arrangement of the optical waveguide is the same as that of the first embodiment, but differs in that an electro-optic (EO) polymer is used as the electro-optic material instead of PLZT.
  • EO electro-optic
  • Si substrate 20 SiO 2 A groove is formed in the clad 21, and TiO is formed at the center of the bottom.
  • 2 51 and SiN x A core 50 formed by laminating 52 is formed, and the other part of the groove is filled with an electro-optic polymer 53.
  • SiO under electro-optic polymer 53 2 A lower electrode 54 is embedded at a position where no loss occurs with respect to the optical mode propagating through the cladding core, and an upper electrode 55 is formed on the electro-optic polymer 53.
  • TiO 2 51 and SiN x The refractive indices of 52 are about 2.2 and about 1.9, respectively, and act as a core.
  • the refractive index of the electro-optic polymer 53 is as low as about 1.5, and the refractive index is about 1.44. 2 Like 21, it works as a cladding.
  • SiN x The temperature coefficient of the refractive index of 52 is positive and TiO 2
  • the temperature coefficient of the refractive index of 51 and the electro-optic polymer 53 is negative.
  • an athermalized TE single-mode optical waveguide can be formed.
  • the electrodes 54 and 55 may be arranged so that the electric field concentrates on a portion near the core 50 of the electro-optic polymer 53.
  • the vicinity of the side surface of the core 50 of the electro-optic polymer 53 is a portion where the electric field of the TE mode light is concentrated.
  • electrodes 56 and 57 may be provided so as to sandwich the core 50 of the optical waveguide and the electro-optic polymer 53, and an electric field may be applied in the lateral direction.
  • TiO having a negative dn / dT and a high refractive index. 2 51 is used as the core, but TiO 2 Instead of 51, an electro-optic polymer 53 or an electro-optic polymer using another organic material may be used.
  • CaF 2 Inorganic materials such as can also be used as a cladding having a negative dn / dT.
  • an athermalized optical waveguide is used, an electro-optic polymer is provided in the vicinity as an electro-optic material, and feedback control is performed by a light-receiving element and a voltage control circuit.
  • a DC electric field is applied to the electro-optic material from the voltage control circuit to change its refractive index, causing variations in the resonant wavelength depending on the position in the wafer, wavelength characteristics of the optical filter, light source wavelength Can be compensated automatically without substantial power consumption.
  • an organic substance such as an electro-optic polymer is used, the material characteristics slightly change with time. However, it is possible to cope with such a change with time.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of an amorphous (a-) Si optical thin-line slot waveguide constituting the ring resonator type optical filter according to the present embodiment.
  • the planar arrangement of the optical waveguide is the same as that of the first embodiment, but differs in that a slot optical waveguide is formed by embedding an electro-optic polymer in the slot as the resonance wavelength changing means.
  • SiO 2 having a thickness of 2 ⁇ m is formed on the Si substrate 60.
  • 2 Film 61 and 500 nm thick TiO 2 A film 62 is formed in order.
  • n-thickness of 220 nm and a width of 200 nm is opposed to each other with a groove of 80 nm.
  • ⁇ -A-Si mesas 63a and 63b, and slot optical waveguides 65 made of the electro-optic polymer 64, which are embedded in these grooves and whose polarization directions are aligned in advance by poling, are formed.
  • n ⁇ -A-Si mesas 63a and 63b are, for example, n each having a thickness of 80 nm.
  • an athermalized optical waveguide is used, an electro-optic polymer that is an electro-optic material is provided in the vicinity, and feedback control is performed by a light receiving element and a voltage control circuit.
  • a DC electric field is applied to the electro-optic material from the voltage control circuit to change the refractive index, thereby causing variations in the resonance wavelength depending on the position in the wafer, wavelength characteristics of the optical filter, light source Slow changes in wavelength can be compensated automatically without substantial power consumption. Furthermore, since the width of the slot in which the electro-optic polymer is embedded is narrow, the electric field of the TE mode light is concentrated, and a large electric field can be induced even at a low voltage, and the resonance wavelength of the resonator can be changed efficiently. . Note that, since the slot is narrow, the capacitance is relatively large, but it is not necessary to perform high-speed modulation, and this is not a problem.
  • both a-Sis arranged across the electro-optic polymer are configured as n-type, but one is configured as n-type and the other is configured as p-type. Moreover, you may comprise as what is both p-type. Further, it is preferable that the carrier plasma effect in Si and the EO effect in the polymer are set in the same direction.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of an optical waveguide constituting the ring resonator type optical filter according to the present embodiment. The planar arrangement of the optical waveguide is the same as that of the first embodiment, but differs in that a piezoelectric element is further used as the resonance wavelength changing means. As shown in FIG.
  • a lower common electrode 71 is formed on the substrate 70, and SrTiO is formed thereon.
  • 3 STO
  • An athermal optical waveguide 77 sandwiched between the cladding layers 76 is formed.
  • An ITO transparent electrode 78 is formed on the optical waveguide 77.
  • a PZT layer 79 that is a piezoelectric material is formed outside the optical waveguide 77, and an electrode 80 is formed on the PZT piezoelectric layer 79.
  • the optical filter using the optical waveguide having such a configuration, wavelength multiplexed light is input and filtered as in the first embodiment, and the resonance frequency is controlled.
  • the refractive index of the PLZT core layer 73 changes due to the electro-optic effect.
  • the PZT layer 79 is deformed by the piezoelectric effect, and strain and stress are generated in the optical waveguide 77.
  • the optical waveguide 77 is configured by the photoelastic effect.
  • the refractive index of 75 changes. If the polarity of the voltage applied to the transparent electrode 78 and the electrode 80 is set so that the direction of the change of the equivalent refractive index is the same, a larger equivalent refractive index change, and thus more, can be achieved with a smaller voltage than in the case of only one. A large resonance wavelength change can be obtained. However, it is necessary to consider the isolation between independent piezoelectric elements so as to suppress the influence on other devices in which strain and stress are integrated.
  • an athermalized optical waveguide is used, a PZT layer that is a piezoelectric material is provided in the vicinity, and feedback control is performed by the light receiving element and the voltage control circuit.
  • the voltage control circuit applies a DC electric field to the core PLZT and PZT layers to change the refractive index of the optical waveguide, thereby causing variations in the resonant wavelength depending on the position in the wafer, and the optical filter. Can be automatically compensated for without substantial power consumption.
  • two refractive index changing means in combination, more accurate control can be performed.
  • the liquid crystal 81 formed on the lower common electrode 71 contains SiO. 2 Lower cladding layer 82, TiO 2
  • An athermal optical waveguide 85 including a core layer 83 and a SiN core layer 84 is embedded, and a transparent electrode 78 is formed on the liquid crystal 81. If necessary, a film for controlling the orientation of the liquid crystal may be inserted between the liquid crystal 81 and the electrode 71 and the transparent electrode 78.
  • wavelength multiplexed light is input and filtered as in the first embodiment, and the resonance frequency is controlled.
  • an AC voltage By applying an AC voltage, the alignment direction of the liquid crystal changes greatly, and as a result, the equivalent refractive index with respect to the guided light also changes greatly, and burn-in of the liquid crystal material can be prevented.
  • the frequency since the frequency may be low, the power consumption accompanying charging / discharging does not become so large, and the power consumption can be significantly reduced as compared with wavelength control using micro heaters or substrate cooling.
  • the optical waveguide is SiN / TiO. 2 / SiO 2 It is not limited to the system, but Si / TiO 2 / SiO 2 The same configuration is possible for optical waveguides of other systems such as systems.
  • an athermalized optical waveguide is used, a core is provided in the liquid crystal, and feedback control is performed by the light receiving element and the voltage control circuit. Depending on the output level, a direct current electric field is applied to the liquid crystal from the voltage control circuit, and the refractive index of the optical waveguide is changed by fluctuations in the orientation direction.

Abstract

消費電力を増大させることなく共振波長のばらつき、変動を補償し、共振波長を所望の値に固定することが可能なアサーマル光導波素子を提供する。アサーマル光導波素子において、屈折率の温度係数が正の材料と負の材料を組み合わせてなり、アサーマル化された光導波路を備える少なくとも一つのリング共振器と、光導波路の少なくとも一部または近傍に設けられ、電圧の印加によりリング共振器の共振波長を変化させる共振波長変化手段と、リング共振器の少なくとも一つの光出力を電気出力として検出する受光素子と、共振波長変化手段に印加される電圧を、受光素子の電気出力レベルに応じて、調整する電圧制御回路と、を備える。

Description

アサーマル光導波素子
　本発明は、アサーマル化されたリング共振器を備える光導波素子に係り、特に、光合分波器、光変調器などの光導波素子に関する。
　近年、コアと周囲の屈折率の差が大きなＳｉ光細線導波路、あるいはＳｉＯＮのような誘電体光細線導波路を利用した、いわゆるシリコンフォトニクス技術を用いて、光導波素子やこれを集積化した光集積回路の超小型化が進められている。
　例えば、波長１．５５μｍ帯のＳｉ光細線導波路の典型的な断面寸法は、２２０ｎｍ×４５０ｎｍであり、曲率半径数μｍの低損失の曲げが可能である。誘電体光細線導波路の場合でも、導波路幅は１μｍ前後で、曲率半径１０μｍ前後の低損失の曲げが可能である。これらは、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセス技術により、精密な微細加工と量産が可能なことから、機器間・ボード間光インターコネクションだけでなく、波長多重（ＷＤＭ：ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術を使ったチップ間・チップ内の大容量光配線への応用も期待されている。
ＷＤＭには、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｇｒａｔｉｎｇ）、マルチモード干渉（ＭＭＩ：ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）フィルタ、マッハ・ツェンダー干渉計（ＭＺＩ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）、インターポーザ、ラティス・フィルタ、リング共振器型フィルタなど、様々な光合分波器が用いられる。これらいずれにも共通している課題は、温度変化による屈折率変化や熱膨張により、共振波長等の波長特性が大きく変化してしまうことである。
　これまで、このような光通信用の光導波素子では、温度制御により共振波長を安定化するのが一般的であった。温度制御をもっと積極的に利用すれば、波長チューナブル・フィルタやアド・ドロップ光スイッチを実現することもできる。
　しかしながら、温度制御には大きな電力消費が伴う。特に、チップ間・チップ内の大容量光伝送では、各素子の小型化とともに低消費電力化が重要であり、少なくとも２０℃~８０℃の温度変化（望ましくは０℃以下~１００℃以上）があっても、温度制御なしに共振波長を安定化できることが必須条件となる。そこで、光通信用のシリカ系導波路やＩｎＧａＡｓＰ系導波路で開発されたアサーマル化技術のＳｉ系光導波路への応用が検討されている。複数の光路の光路長差を利用した光合分波器（ＭＺＩ、ＡＷＧ等）では、光路長差の温度依存性を零に近づけることでアサーマル化が実現できる。この場合、光路長自体には温度依存性があってもかまわない。
　一方、リング共振器を用いた光合分波器は、小型化可能で、反射戻り光がないという特徴を有するため、チップ間・チップ内光配線への応用が期待される。しかしながら、特性の波長依存性が顕著であり、共振波長そのものをアサーマル化する必要がある。そのためには、屈折率の温度係数が正の材料と負の材料を組み合わせた複合光導波路で、等価屈折率の温度係数をゼロに近づけるという手法が一般的である。ただし、導波路の単一モード条件、他の光導波路との等価屈折率の整合、小さな曲げ半径で低損失となる条件などの制約があり、応用に応じた光導波路構造の工夫が必要である。
　光細線導波路を用いた光導波素子には様々なものがあるが、ここでは図１５に示す四重リング共振器型光フィルタ１０１を例にとって説明する。このリング共振器型光フィルタは、入出力光導波路１０２，１０３とリング状の光導波路１０４ａ~１０４ｄ（以下、リング光導波路と記す）からなる。なお、リング光導波路には、レーストラック共振器型、マイクロディスク共振器型のような変形例も含まれる。
　各リング共振器１０４ａ~１０４ｄは、実質的に同じ共振波長を有している。リング共振器の数を増やして、方向性結合器１０５ａ~１０５ｅの結合係数κを最適化すれば、透過帯域を広げ、透過波長特性をフラットに近づけることができる。しかしながら、この４重リング共振器でも、透過帯域の波長ずれマージンは±０．５ｎｍ程度しかない。
　制御性の高いＣＭＯＳプロセスを使えば、狭い領域内の等価屈折率のばらつきをある程度抑えることができるが、大きな面積のウエハの中央と端では、各誘電体層の膜厚や屈折率、導波路幅等に微妙なずれを生じるため、すべての素子が設計どおりの特性を得ることは困難である。波長１５５０ｎｍ帯では、等価屈折率のわずか０．１％のずれでも共振波長のずれは１．５５ｎｍになってしまう。例えば、波長ずれを１ｄＢ帯域に相当する±０．３ｎｍに抑えるためには、約０．０２％の精密制御が必要である。外部光源の波長が決まっているとすると、フィルタ共振波長のずれは、大きな歩留まり低下の原因となる。また、フィルタの波長が正確であっても、光源の波長が時間とともに微妙に変化する場合も、同様な問題を生じる。
　このような問題を解決する手段として、リング光導波路の少なくとも一部のうえにマイクロヒータを設け、ヒータにより光導波路を局所的に加熱し、等価屈折率を変化させ、共振波長を変化させることができるものが報告されている（例えば非特許文献１など参照）。しかしながら、ヒータは一般にかなり大きな電力を消費するので、チップ間・チップ内の高密度光配線には適用できない。
　電気光学効果を用いてマイクロリング共振器の共振波長をチューニングすることも可能である（例えば非特許文献２など参照）。しかしながら、一般に電気光学効果によりチューニングできる共振波長範囲（~１ｎｍ前後）は、ＬＳＩチップで想定される温度変化（~１００℃）や、製造プロセスのばらつきによる共振波長シフト量（数ｎｍ以上）、フィルタの波長周期であるフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）（非特許文献２の例では約１０ｎｍ）より小さく、温度依存性の補償手段や製造ばらつきの補正手段としては利用できなかった。
　また、クラッドに液晶材料を用いて、液晶への電圧印加で共振波長をチューニングする方法も提案されている（非特許文献３）。この場合も、チューニング範囲は０．６ｎｍであり、温度依存性の補償手段や製造ばらつきの補正手段としては不十分であった。
　さらに、光導波路のコア材料とクラッド材料に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが逆符号の材料を組み合わせてアサーマル化する方法が提案されている（例えば特許文献１、非特許文献４、５など参照）。非特許文献４においては、コア材料であるＴｉＯ２−ＳｉＯ２のｄｎ／ｄＴは正であり、クラッド材料として用いているＰＭＭＡ−ＴＦＭＡのｄｎ／ｄＴは負になっており、各層の屈折率や寸法を適切に調整することで、温度による等価屈折率の変化を補償する構造がとられている。特許文献１や非特許文献５の例でも、負の屈折率温度係数を有する材料として各種の有機材料をクラッド材料に使用している。
　このほか、熱膨張係数の異なる材料を組み合わせてバイメタル効果によるひずみ（応力）と光弾性効果を利用してアサーマル化する方法（例えば特許文献２など参照）、負の熱膨張係数を利用して正の屈折率の温度係数を補償する方法（例えば特許文献３など参照）なども提案されている。しかしながら、高密度光集積回路への適用が難しく、ＬＳＩへの悪影響も懸念されるという課題がある。
　さらに、アニールやエッチバック等によるトリミングでアサーマル条件を満たすように光導波路の応力分布を調整する方法（例えば特許文献４など参照）も提案されている。しかしながら、ウエハ内で素子ごとに個別にトリミングを行うことは、プロセス上困難であり、製造スループットが低下するという問題がある。
特開２００３−３２２７３７（請求項１など） 特開２０００−２０６３４８（請求項１など） 特開２０００−３５２６３３（請求項１など） 特開２００７−２４８７８５（請求項１、７、８など） Ｒ．Ａｍａｔｙａ，Ｃ．Ｗ．Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ，Ｈ．Ｉ．Ｓｍｉｔｈ，ａｎｄ　Ｒ．Ｊ．Ｒａｍ："Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ　ｆｉｌｔｅｒｓ，"ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２０（２００８年）ｐｐ．１７３９−１７４１ Ｙ．Ｔａｎｕｓｈｉ，Ｓ．Ｙｏｋｏｙａｍａ："Ｃｏｍｐａｃｔ　ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｒｉｎｇ　ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｃｈｉｐｓ，"Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．４Ｂ（２００７年）ｐｐ．２３６４−２３６８ Ｗ．Ｄｅ　Ｃｏｒｔ，Ｊ．Ｂｅｅｃｋｍａｎ，Ｒ．Ｊａｍｅｓ，Ｆ．Ａ．Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ，Ｒ．Ｂａｅｔｓ，ａｎｄ　Ｋ．Ｎｅｙｔｓ："Ｔｕｎｉｎｇ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　ｒｉｎｇ　ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ　ｗｉｔｈ　ｌｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｆｉｅｌｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，"Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１３（２００９年）ｐｐ．２０５４−２０５６ Ｙ．Ｋｏｋｕｂｕｎ，Ｓ．Ｙｏｎｅｄａ，ａｎｄ　Ｓ．Ｍａｔｓｕｕｒａ："Ａｔｈｅｒｍａｌ　ｎａｒｒｏｗ−ｂａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｔ　１．５５μｍ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｂｙ　ｓｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄ　ａｔｈｅｒｍａｌ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ，"ＩＥＩＣＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｖｏｌ．Ｅ８１−Ｃ，Ｎｏ．８（１９９８年）ｐｐ．１１８７−１１９３ Ｊ．−Ｍ．Ｌｅｅ，Ｄ．−Ｊ．Ｋｉｍ，Ｈ．Ａｈｎ，Ｓ．−Ｈ．Ｐａｒｋ，ａｎｄ　Ｇ．Ｋｉｍ："Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｒｉｎｇ　ｒｅｓｏｎａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｏｖｅｒｌａｙｅｒ，"Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．８（２００７年）ｐｐ．２２３６−２２４３
　上述したように、負の屈折率の温度係数を有する材料や熱膨張係数の異なる材料を利用することにより、温度制御により消費電力を増加させることなく光導波路をアサーマル化することができる。しかしながら、プロセス上のバラツキによるウエハ内の共振波長のばらつきを抑えることは困難であるという問題がある。
　本発明の目的は、消費電力を増大させることなく共振波長のばらつき、変動を補償し、共振波長を所望の値に固定することが可能なアサーマル光導波素子を提供することにある。
　本発明の一態様のアサーマル光導波素子は、屈折率の温度係数が正の材料と負の材料を組み合わせてなり、アサーマル化された光導波路を備える少なくとも一つのリング共振器と、光導波路の少なくとも一部または近傍に設けられ、電圧の印加によりリング共振器の共振波長を変化させる共振波長変化手段と、リング共振器の少なくとも一つの光出力を電気出力として検出する受光素子と、共振波長変化手段に印加される電圧を、受光素子の電気出力レベルに応じて、調整する電圧制御回路と、を備えることを特徴とする。
　ここで、「アサーマル化された」とは、具体的には、例えば、温度２０℃~８０℃の範囲における共振波長の変化が、３ｄＢ波長帯域より小さく抑えられていることを意味する。また、リング共振器とは、狭義のマイクロリング共振器のほか、円弧部と直線部からなるレーストラック共振器、ディスク状のマイクロディスク共振器等、光の周回による共振を利用した共振器全般を含む。また、単一リング共振器だけでなく、複数の周回光導波路からなる多重リング共振器も含む。また、リング共振器の３ｄＢ波長帯域は、複数の出力光ポートを有する光分波器（光フィルター）においては、共振波長の光を抜き出す（ドロップする）出力ポートの波長透過特性で定義される。また、リング共振器型光変調器においては、無変調時の共振波長近傍の吸収スペクトルにより定義される。
　このような構成により、アサーマル光導波素子において、消費電力を増大させることなく共振波長のばらつきを補償し、共振波長を所望の値に固定することが可能となる。このとき、光源の波長などの変動をある程度抑える必要があるが、これまでより変動マージンを大きくとることが可能となる。
　また、本発明の一態様のアサーマル光導波素子において、リング共振器を複数有し、複数のリング共振器で受光素子と電圧制御回路が共有されることが好ましい。相対的な波長偏差が抑えられるため、複数のスルー出力を受光素子で一括受光し、その出力レベルに応じて同じ電圧を印加して共振波長を変動させることができる。各波長分波器に印加する電圧を個々に調整する場合と比べて、回路規模を大幅に小さくすることができ、消費電力も節約することができる。
　また、本発明の一態様のアサーマル光導波素子において、共振波長が隣接するチャネルと少しずつ異なる複数チャネルからなる複数のリング共振器を有し、各リング共振器の前記共振波長変化手段は、共振波長を隣接するチャネルとの共振波長の差の１／２以上波長を変化可能であることが好ましい。このように波長変化ができることにより、波長多重（ＷＤＭ）システムに好適に用いることができる。
　また、本発明の一態様のアサーマル光導波素子において、さらに電圧制御回路と独立した高速光変調回路を設けてもよい。このような高速光変調回路を設けることにより、リング共振器型光変調器として好適に用いることができる。そして、比較的高い固定電圧を印加する共振波長を制御するための電圧制御回路と、低容量・低電圧駆動の高速光変調回路との間の干渉を避けることが可能となる。
　また、本発明の一態様のアサーマル光導波素子において、共振波長変化手段は、電圧の印加により導波路の一部ないし近傍に設けられた電気光学材料の屈折率を変化させることにより、共振波長を変化させてもよい。そして、このような電気光学材料は強誘電体であり、電圧を印加するための二つの電極の間に接続配置することにより、より効果的に電気光学材料に電圧を印加することができる。
　また、本発明の一態様のアサーマル光導波素子において、共振波長変化手段は、電圧の印加により光導波路の一部ないし近傍に設けられた圧電材料にひずみまたは応力を発生させ、光弾性効果により前記光導波路の一部ないし近傍の材料の屈折率を変化させることにより、共振波長を変化させてもよい。
　さらに、本発明の一態様のアサーマル光導波素子において、共振波長変化手段は、電圧の印加により光導波路の一部ないし近傍に設けられた液晶材料の配向を変化させ、前記光導波路の一部ないし近傍の材料の屈折率が変化させることにより、共振波長を変化させてもよい。
　リング共振器の共振波長は、共振器を構成する光導波路の近傍に設けられた電極を介して、光導波路の一部ないし近傍に設けられた電気光学材料、圧電材料、あるいは液晶材料などに電圧を印加することで、電気光学効果、ひずみや応力の変化、光弾性効果、液晶の配向の変化、あるいはこれらの組み合わせの効果により、光導波路の等価屈折率を所望の値に合わせることができる。電気光学材料、圧電材料、液晶材料等に印加する電圧を変化させる際には、電力消費が生じるが、固定電界を印加した状態では、電源回路の損失、材料の誘電損失、リーク電流などをできる限り小さく抑えることにより、消費電力を抑えることができる。
　このような電気光学効果、光弾性効果、圧電効果等は、従来からよく知られた屈折率制御手段であるが、これらの効果を用いて調整できる共振波長範囲は小さく、温度特性の補償や素子特性ばらつきの補正に用いることは困難であった。しかしながら、本発明の一態様において、リング共振器を構成する光導波路をアサーマル化することにより、初めて実用的な共振波長の調整手段となる。このとき、ＣＭＯＳプロセスにより素子特性のばらつきが小さく抑えられることがより好ましい。
　製造時に個々の素子に印加される電圧を順次調整するのは、トリミングの場合と同様に作製スループットを低下させる。また、負のｄｎ／ｄＴを有する材料や電気光学材料として有機材料や液晶を用いた場合は、所望の共振波長を得るために印加すべき電圧が経時変化により変動することも考えられる。また、光配線用光源自体の波長が微妙に変動することも考えられる。
　このような不確定要因があっても、実際に使用する光源から光を入射した際の光導波素子の出力光レベルを電気的に検出する受光素子と、この受光素子からの電気出力レベルに応じて共振波長変化手段に印加する電圧を調整する電圧制御回路とを設けることで、光共振器を自動的に使用可能な状態に保つことが可能である。
　本発明のアサーマル光導波素子によれば、消費電力を増大させることなく共振波長のばらつき、変動を補償し、共振波長を所望の値に固定することが可能となる。
　図１は、実施形態１の四重リング共振器型光フィルタの概略構成を示す平面配置図である。
　図２は、実施形態１のリング共振器の光導波路を含む部分の断面図である。
　図３は、実施形態１のリング共振器の光導波路を含む部分の断面図である。
　図４は、実施形態１の変形例を示すリング共振器の光導波路を含む部分の断面図である。
　図５は、８波光分波器の概略構成図である。
　図６Ａは、８波光分波器における各光フィルタのドロップポート出力の設計値を示す図である。
　図６Ｂは、８波光分波器における各光フィルタのスルーポート出力の設計値を示す図である。
　図７Ａは、図６Ａの一部拡大図である。
　図７Ｂは、図６Ｂの一部拡大図である。
　図８は、８波光分波器の別の構成例を示す図である。
　図９は、実施形態２のリング共振器型光変調器の概略構成図である。
　図１０は、実施形態３のリング共振器型光フィルタの光導波路の断面図である。
　図１１Ａは、実施形態３の変形例を示す図である。
　図１１Ｂは、実施形態３の変形例を示す図である。
　図１２は、実施形態４のリング共振器型光フィルタの光導波路の断面図である。
　図１３は、実施形態５のリング共振器型光フィルタの光導波路の断面図である。
　図１４は、実施形態６のリング共振器型光フィルタの光導波路の断面図である。
　図１５は、従来のリング共振器型光フィルタを示す図である。
（実施形態１）
　図１は、本実施形態に係るアサーマル光導波素子である光フィルタの概略構成を示す平面図である。四重リング共振器型の光フィルタ１は、入力光導波路２、出力光導波路３、およびこの間に直列に設けられた四つのリング光導波路４（４ａ~４ｄ）からなり、各光導波路は方向性結合器５（５ａ~５ｅ）により光学的に結合している。
　リング光導波路４ａ~４ｄは、それぞれＳｉリッチＳｉＮｘ／ＴｉＯ２コア光導波路６と強誘電体の電気光学材料であるＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）／ＴｉＯ２コア光導波路７からなる。これら光導波路の幅は約８００ｎｍとする。ＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路７の近傍には、ＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路７を左右から挟むように、外側電極８ａ~８ｄと内側電極９ａ~９ｄが設けられている。電極８ａ~８ｄ、９ａ~９ｄと光導波路コア７との間隔は、電極による光損失を避けるため４００ｎｍとする。それぞれ対応する外側電極８ａ~８ｄと内側電極９ａ~９ｄの間隔は、それぞれ約１．６μｍとする。
　波長多重光が入力される入力ポート１０は、入力光導波路２の一端に設けられ、入力された波長多重光のうち、四重リング共振器フィルタ１の共振波長帯に含まれる光のみが出力されるドロップポート１１は、出力光導波路３の一端に設けられている。そして、それ以外の波長の光が出力されるスルーポート１２は、入力光導波路２のもう一方の端に設けられ、スルーポート１２には、その出力を検知する受光素子１３が接続されている。さらに、受光素子１３には、受光素子１３からの出力レベルに応じて、低抵抗の配線（図示せず）を介してそれぞれ対応する外側電極８ａ~８ｄと内側電極９ａ~９ｄ間に印加する電圧を制御する電圧制御回路１４が接続されている。
　図２に、ＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路７を含む部分の断面図を、図３に、ＳｉリッチＳｉＮｘ／ＴｉＯ２コア光導波路６を含む部分の断面図をそれぞれ示す。
　Ｓｉ基板２０の上にＳｉＯ２クラッド層２１が形成されており、このＳｉＯ２クラッド層２１に三方を囲まれるように、厚さ２２０ｎｍのＴｉＯ２２２と厚さ１８０ｎｍのＰＬＺＴ２３ａが積層されたコア光導波路７、厚さ２２０ｎｍのＴｉＯ２２２と厚さ１８０ｎｍのＳｉリッチＳｉＮｘ２４ａが積層されたコア光導波路６が、所定の位置に形成されている。
　ＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路７においては、電界をＰＬＺＴ２３ａに集中させるため、ＰＬＺＴ２３ａの上部から電極８、９の下まで厚さ５０ｎｍのＰＬＺＴ層２３ｂを延伸させている。また、異種導波路接続部のモード不整合を避けるため、ＳｉリッチＳｉＮｘ／ＴｉＯ２コア光導波路６の左右にも、厚さ５０ｎｍのＳｉリッチＳｉＮｘ層２４ｂを延伸させている。
　本実施形態のように、電気光学材料が強誘電体（ＰＬＺＴの比誘電率εｒ１は、組成、製法等にも依存するが、数百~数千である）の場合、電圧印加のための二つの電極の間に誘電率の低い材料（誘電率εｒ２）が直列に挿入されていると、誘電率の低い材料の方に大きな電界がかかってしまい（電気力線に垂直な界面で誘電率の低い材料側の電界が、強誘電体側のεｒ１／εｒ２倍になる）、強誘電体には電界が有効にかからない。したがって、二つの電極の間を強誘電体でつなげて、接続配置されることが好ましい。また、二つの電極の間が強誘電体でつながることにより静電容量が増大するが、本実施形態の場合、静電容量に依存する応答速度は特に問題とならない。逆に、強誘電体と誘電率の低い材料が、二つの電極の間に並列に挿入されている場合は、強誘電体の方に電界が集中するので、強誘電体の電気力線に垂直な断面積は狭くてもよい。
　各材料の屈折率ｎやその温度係数ｄｎ／ｄＴの値は、製造方法や波長により多少変わるが、例えば表１に示す値が挙げられる。以下この値を用いて説明する。なお、導波光の偏波は、ＴＥモード（光電界の向きが基板と水平）で使うものとする。
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 　ＴｉＯ２２２、ＰＬＺＴ２３ａ、２３ｂ、ＳｉリッチＳｉＮｘ２４ａ、２４ｂは、屈折率ｎがほぼ等しいので、ＳｉリッチＳｉＮｘ／ＴｉＯ２コア光導波路６も、ＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路７も、等価屈折率はほぼ同じ（ｎｅｆｆ~１．７５）である。そして、ＴｉＯ２２２の屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ（＜０）と他の領域のｄｎ／ｄＴ（＞０）は、部分的に相殺しあうので、等価屈折率の温度係数ｄｎｅｆｆ／ｄＴは、ＴｉＯ２２２を含まない光導波路より小さくすることができる。
　ここで、ＳｉリッチＳｉＮｘ／ＴｉＯ２コア光導波路６のｄｎｅｆｆ／ｄＴ（＝−１．４×１０−６／Ｋ）とＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路７のｄｎｅｆｆ／ｄＴ（＝＋１．４×１０−６／Ｋ）の絶対値がほぼ等しく、符号が逆になるように設定する。そして、二種の導波路の長さの比を約１：１とすることで、共振波長の温度依存性を極めて小さな値に抑える、すなわち、アサーマル化される。
　なお、ＰＬＺＴ２３ａは、内側電極９に対して外側電極８の電圧を高くした場合に、電気光学定数ｒ３３を介して屈折率が増加するよう、あらかじめポーリングにより分極の向きが揃えられている。電界の向きにより、ＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路７の等価屈折率を大きくあるいは小さくすることができるので、共振波長を所望の値に合わせることができる。
　このように構成される光フィルタにより、以下のようにして波長多重光がフィルタリングされる。まず、入力ポート１０より波長多重光が入力され、四重リング共振器フィルタ１の共振波長帯に含まれる光のみが、四重リング共振器フィルタ１を介して、ドロップポート１１より出力されることによりフィルタリングされる。それ以外の波長の光は、スルーポート１２より出力され、受光素子１３により光出力が検知される。
　そして、受光素子１３からの電気出力レベルに応じて、電圧制御回路１４により、それぞれ対応する外側電極８ａ~８ｄと内側電極９ａ~９ｄとの間に印加される電圧が制御される。このとき、電圧制御回路１４から電極８，９間に印加する電圧は、受光素子１３の出力が最小になるようにフィードバック制御される。より具体的には、リング共振器フィルタ１に印加される直流電圧には、低周波ｆの微小電圧が重畳されており、受光素子１３で検知される周波数ｆ成分が最小となるように、印加電圧が制御される。そして、リング共振器フィルタ１に印加される周波数ｆ成分と、受光素子１３で検知した周波数ｆ成分の位相の比較から、印加電圧を増やすべきか、減らすべきかが決定される。
　このとき、周波数ｆの変調に伴って、若干の電力が消費されるが、その電圧振幅は小さく、マイクロヒータ等で波長制御を行う場合と比べて、消費電力は大幅に低減できる。素子の経時変化の補償を行う場合、その速度は遅く、常にフィードバック制御を続ける必要はない。例えば、実動作の合間に設定された校正モードの間に、実動作で使用する光源を用いて印加する電圧値の校正を行い、その後の実動作モードではその電圧値を維持するようにしてもよい。
　なお、電圧制御回路１４には、ＣＭＯＳ回路用とは別の電源が必要となるが、印加電圧の最大値（例えば±３０Ｖ）は、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）とＣＭＯＳの集積化の場合や、低電圧のパワー素子の場合と同様であり、大きな電流容量を必要とするものではない。将来的により電気光学効果の大きな材料が開発されれば、最大印加電圧はより低減することができる。
　なお、本実施形態において、光導波路にその一例として図２、図３に示した構造を用いたが、様々な変形が可能である。たとえば、図４に示すように、光導波路コア７上部や電極８、９が、ＳｉＯ２クラッド２１ｂにより埋め込まれていてもよい。このような構造により、表面リーク電流を防止することができ、耐圧を向上させることができる。また、図２のように、ＰＬＺＴ２３ａ、２３ｂは上部を左右に延伸させた逆メサ形状でなく、ＰＬＺＴ下部を左右に延伸した順メサ形状にとしてもよい。さらに、ＴｉＯ２２２の位置をＰＬＺＴ２３ａの上に移動させてもよい。このとき、接続部のモード不整合の影響を避けるために、ＳｉリッチＳｉＮｘ／ＴｉＯ２コア光導波路６の断面構造も、ＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路７の断面構造と対応するように変更することが好ましい。
　また、光導波路に他の材料が含まれていてもよい。たとえば、ＰＬＺＴ層２３へ電界を集中させるために、ＳｉＯ２２１のＰＬＺＴ層２３ｂの直下の部分に、厚さ１００ｎｍ程度のＳｒＴｉＯ３膜などを挿入してもよい。
　その他、各層については、種々の厚さ、長さの組み合わせが可能である。例えば、ＴｉＯ２２２の屈折率の温度係数は、堆積方法や堆積条件に依存してかなり大きく変化し、条件よってはｄｎ／ｄＴ＜−１０×１０−５／Ｋとなる。その場合はＴｉＯ２２２をもっと薄くする必要がある。
　なお、図１には、リング光導波路４ａ~４ｄが円形の場合を示したが、方向結合器部５に直線部を設けたレーストラック型とすることにより、所望の結合係数を実現するためのギャップ幅を容易に制御することができる。
　例えば、半径６μｍ、直線部１４．６μｍ、周長約６７μｍとすることができる。周長の方向性結合器を含む約半分は、ＳｉリッチＳｉＮｘ／ＴｉＯ２コア光導波路６からなり、残り約半分はＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路７から構成される。
　方向性結合器の結合係数κは、二つの導波路の間のギャップ幅により調整することができる。ここでは、ドロップポートの透過スペクトルがなるべくフラットになるように、各方向性結合器の結合係数を、例えば以下のように調整することができる。すなわち、入出力光導波路２、３と外側のリング光導波路４ａ、４ｄの間の方向性結合器５ａ、５ｅの結合係数を、κａ＝κｅ＝０．７０、外側のリング光導波路４ａ、４ｄと内側のリング光導波路４ｂ、４ｃの間の方向性結合器５ｂ、５ｄの結合係数を、κｂ＝κｄ＝０．１７２、内側の２個のリング光導波路４ｂ、４ｃ間の方向性結合器５ｃの結合係数を、κｄ＝０．１０９とする。
　電極８、９の間にリーク電流が流れないよう、十分な耐圧が得られるよう処置してあれば、最大±数十Ｖの直流電圧を印加した状態に保っても、実電力の消費はない。
　なお、本実施形態のフィードバック方法は、素子の作製精度やばらつきにより、アサーマル化が不十分な場合の温度補償にも利用することができる。フィードバックにより動かせる共振波長の範囲は、マイクロヒータと基板冷却による温度変化を使った場合より小さい。しかし、完全アサーマル動作はできなくとも、共振波長の温度依存性はかなり小さく抑えられているので、本方法による温度補償でも共振波長を一定に保つことができる。この場合でも、マイクロヒータや基板冷却による温度補償と比べて、消費電力を大幅に低減することができる。
　本実施形態によれば、電気光学材料を一部に含むアサーマル化された光導波路を用い、受光素子と電圧制御回路によるフィードバック制御を行うことにより、受光素子からの電気出力レベルに応じて、電圧制御回路より電気光学材料に電界を印加してその屈折率を変化させ、ウエハ内の位置による共振波長のばらつきや、光フィルタの波長特性、光源波長の緩やかな変化を、実質的な電力消費なく、自動的に補償することができる。
（実施形態１の応用例）
　図５は、実施形態１の応用例を示す８波長光分波器の概略構成図である。ここでは、図１と同様の構成の四重リング共振器型光フィルタが８個用いられている。各リング共振器は、光フィルタ１ａから１ｈまで、共振波長が例えば２ｎｍずつ長波長側にシフトするよう、周長が約１１０ｎｍずつ長く設定されている。フィルタの波長特性の周期であるフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）は、共振波長間隔２ｎｍの８倍の１６ｎｍに設定する。周期性を利用すれば、例えば２ｎｍ間隔の３２波長から１６ｎｍ間隔の４波長を一括して分波するような使い方も可能である。
　図６Ａ、図６Ｂは、このような８波長光分波器における各光フィルタの出力の波長特性の設計値を重ね書きした図である。図６Ａは、ドロップポート出力、図６Ｂは、スルーポート出力をそれぞれ示す。図７Ａ、図７Ｂは、それぞれその一部を拡大した図であり、実線は０℃の場合、点線は１００℃の場合の特性である。これらの図に示すように、温度変化による共振周波数のずれは０．１ｎｍ以下に抑えられている。なお、各フィルタのドロップ特性の１ｄＢ帯域は、約０．６ｎｍ、３ｄＢ帯域は約０．８ｎｍである。
　電圧制御回路１４から電極８，９間に印加する電圧は、８波同時受信される受光素子１３の出力が最小になるように制御される。より具体的には、単波長フィルタと同様に、リング共振器フィルタ１ａ~１ｈに印加される直流電圧には、低周波ｆの微小電圧が重畳されており、受光素子１３で検知される周波数ｆ成分が最小となるように、印加電圧が制御されている。リング共振器フィルタ１ａ~１ｈに印加される周波数ｆ成分と、受光素子１３で検知した周波数ｆ成分の位相の比較から、印加電圧を増やすべきか、減らすべきかが決定される。
　８波光分波器の場合、フィルタ１ａ~１ｈの共振波長間隔は２ｎｍで、１６ｎｍ周期の特性をもつので、±１ｎｍ以上の波長ずれに対しては、フィルタに対応する波長チャネルをずらすことで対応可能である。したがって、電圧印加による等価屈折率の変化は±０．６５％以下（｜Δｎｅｆｆ｜＜１．４２×１０−３）でよい。電圧に対するＰＬＺＴの屈折率の変化率ｄｎ／ｄＶを２×１０−４／Ｖ、ＰＬＺＴへの光閉じ込め係数を４０％として｜Δｎｅｆｆ｜＝１．４２×１０−３を得るための最大印加電圧を推算すると、±１７．８Ｖとなる。二次の電気光学効果による非線形性がある場合、正側と負側で多少電圧が変わるが、本実施形態では最大±３０Ｖの電圧印加が可能なので、波長を±１ｎｍ以上調整することが可能である。
　本実施形態において、波長分波器内の相対的な波長偏差は小さく、例えば±０．２ｎｍに抑えることができるため、８波のスルー出力を受光素子１３で一括受光して、８個の波長フィルタ１ａ~１ｈのすべてに同一電圧を印加することで、ばらつきや変動の補償を行うことができる。このように、一括受光、電圧印加を行うことにより、各波長分波器に印加する電圧を個々に調整する場合と比べて回路規模を大幅に小さくすることができ、消費電力も抑えることができる。
　図７Ｂのスルー側の遮断帯域内の特性には凹凸があって、透過率は共振波長で最小になっているわけではない。しかし、実際のフィードバック系は、対数（ｄＢ）出力ではなくリニア出力に応答するので、遮断帯域内の透過特性の凹凸の影響よりも、むしろ遮断帯域からの逸脱に敏感である。８個の素子の共振波長には、設計値からの偏差もあるので、８波の合計出力をモニタすることで、全体として遮断帯域からの逸脱の影響が最も小さくなるように共振波長が制御されることになる。
　このような光合分波器が、チップ内の他の場所にも複数集積化されている大規模な光集積素子においては、ある領域の代表的な波長分波器の出力のみを受光素子でモニタして、その領域にあるすべての光合分波器に対して同一の電圧を印加してもよい。この場合、さらに電圧制御回路の面積や消費電力を抑えることができる。また、光合波器の共振波長も、近くの光分波器のフィードバック電圧制御回路からの電圧により、同時に制御することができる。
　なお、作製プロセスの精度がそれほど高くない場合には、個々のリングに異なる電圧を印加できるようにしておく必要がある。この場合、共通の校正用受光素子１３を波長チャネルごとに時分割で用いることができる。
　あるいは、図８のように、光出力１１ａ~１１ｈの出力を実動作で用いる各波長チャネルの受光素子１５ａ~１５ｈでモニタし、波長チャネルごとに受光素子１５ａ~１５ｈの出力が最大になるように調整してもよい。実動作モードの光データ伝送で使われる受光素子１５ａ~１５ｈや、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１６ａ~１６ｈを、時分割で使用することができるので、フィードバック専用の受光素子や受光回路を別に設ける必要はない。ＴＩＡ１６ａ~１６ｈの出力は、電圧制御回路１４とデジタル回路１７ａ~１７ｈに同時に出力され、校正モードでは前者が、実動作モードでは後者が使用される。
　なお、本実施形態において、８波長光分波器を例に挙げているが、８チャンネルに限定されるものではなく、複数チャンネルのものについて適用することができる。
　本実施形態によれば、共振波長が隣接するチャネルと少しずつ異なる複数チャンネルの光分波器においても、実施形態１と同様に、ウエハ内の位置による共振波長のばらつきや、光フィルタの波長特性、光源波長の緩やかな変化を、実質的な電力消費なく、自動的に補償することができる。
（実施形態２）
　図９は、本実施形態に係るＰＬＺＴ／ＴｉＯ２リング共振器型光変調器の概略構成図である。この光変調器は、ＳｉＮｘ系入出力光導波路３１と、ｄｎ／ｄＴが負であるＴｉＯ２の厚さ、長さ等を適切に設定することにより、共振波長の温度依存性を極めて小さくなるように設定されてアサーマル化されたＰＬＺＴ／ＴｉＯ２リング共振器３２と、ＳｉＮｘ系モニタ光導波路３３が、方向性結合器３４ａ、３４ｂを介して結合して構成されている。リング共振器３２は、高速変調に最適化され、１０Ｇｂｐｓの高速光変調が可能で、電極間の静電容量を抑えた光変調部３５、数十Ｖの直流高電圧の印加に耐えるよう最適化された共振波長制御部３６、方向性結合器部３７からなる。方向性結合器部３７は入出力光導波路３１やモニタ光導波路３３と同一構造のＳｉＮｘ系光導波路からなり、残りの部分はＰＬＺＴとＴｉＯ２が積層された光導波路となっている。いずれもクラッド層はＳｉＯ２である。
　さらに、モニタ光導波路３３には、出力をモニタするための受光素子３８と、受光素子３８からの電気出力レベルに応じて共振波長を制御するために、共振波長制御部３６に直流電圧を制御して印加するための電圧制御回路３９と、電圧制御回路３９と独立した光変調部３５を駆動させるための駆動回路４０が設けられている。
　リング共振器３２のＰＬＺＴ／ＴｉＯ２積層光導波路の下部には、共通電極（図示せず）が埋め込まれており、光変調部３５と共振波長制御部３６の上部には、それぞれ変調用と直流バイアス用の電極が設けられている。ＰＬＺＴ層は、このような縦型電極に対応して上下方向に分極の向きが揃えられているが、図２のような横型電極で、基板に水平方向に分極を揃えてもよい。
　すなわち、本実施形態の光変調器においては、光変調部３５とは別に、直流電圧印加のための共振波長制御部３６が設けられており、また、モニタ光導波路３３、受光素子３８、電圧制御回路３９が付加されている点で、従来の光変調器とは異なる構成になっている。
　このような構成の光変調器において、光変調信号を印加しない状態でのリング共振器３２の共振波長と同じ波長の光が、入出力導波路の一端４１から入射される。入力光の一部はリング共振器３２で放射損失を受け、残りの大部分はモニタ光導波路３３に出力されるので、出力ポート４２にはほとんど出力されない。ここで、光変調部３５に振幅５Ｖ程度の電圧を印加すると、リング共振器３２の共振波長が変化し、光源の波長がリング共振器３２の帯域外になるため、入射光はそのまま出力光ポートから出力される。リング共振器３２のＱ値が高いほど小さな電圧で大きな透過率変化が実現できるが、温度変化に対して敏感になる。
　モニタ光導波路３３は受光素子３８に接続されており、その出力が電圧制御回路３９にフィードバックされる。このとき、変調部３５がアイドル状態の校正モードを設け、校正モードの際に、受光素子４０の出力が最大になるように、電圧制御回路３９により共振波長制御部３６に印加する電圧を制御することで、光源の波長と無変調時の共振波長を一致させることができる。あるいは、実際に変調動作を行っている際に、受光素子３９に出力される変調成分の振幅が最大となるように制御を行うこともできる。この場合は、校正モード期間を設ける必要がなく、常時フィードバックを行うことができる。
　なお、モニタ光導波路３３を設けずに、送信先の受信回路から電圧制御回路３９を介して共振波長制御部３６の印加電圧にフィードバックする構成としてもよい。また、出力光導波路３１側をモニタしてもよい。
　このように、本実施形態の光変調器においては、温度に依存せず高消光比の変調動作が可能である。また、作製プロセスなどにより、素子間にばらつきがある場合においても、光源波長と共振波長を一致させるために光変調部に大きな直流バイアス電圧をかけることなく、実用に十分な特性を得ることができる。
　また、本実施形態において、光変調部３５は電圧制御回路３９とは独立の駆動回路４０により駆動される。高速変調と直流バイアスが分離されているので、回路構成上の制約は大幅に緩和される。また、それぞれの領域を独立に高速変調と直流高電圧印加に最適化できる。具体的には、光変調部３５のＰＬＺＴは高周波で誘電損失の小さな組成にし、共振波長制御部３６のＰＬＺＴは直流での電気光学係数が大きくなる組成にするなど、材料や構造を最適化することにより、それぞれ高性能の特性を実現することができる。
　さらに、本実施形態の光変調器の共振波長を少しずつずらして複数集積化することにより、ＷＤＭ伝送に応用することが可能となる。
（実施形態３）
　図１０は、本実施形態に係るリング共振器型光フィルタを構成する光導波路の断面図である。光導波路の平面配置は、実施形態１と同様であるが、電気光学材料としてＰＬＺＴではなく、電気光学（ＥＯ）ポリマーを利用している点で異なっている。
　図１０に示すように、Ｓｉ基板２０、ＳｉＯ２クラッド２１の中に溝が形成されており、その底の中央部にＴｉＯ２５１とＳｉＮｘ５２が積層されてなるコア５０が形成され、溝の他の部分は電気光学ポリマー５３により埋められている。電気光学ポリマー５３の下のＳｉＯ２クラッドのコアを伝搬する光モードに対して損失にならない位置に、下部電極５４が埋め込まれており、電気光学ポリマー５３の上には上部電極５５が形成されている。
　このように構成される光導波路において、ＴｉＯ２５１とＳｉＮｘ５２の屈折率は、それぞれ約２．２、約１．９であり、コアとして働く。電気光学ポリマー５３の屈折率は約１．５と小さく、屈折率が約１．４４のＳｉＯ２２１同様、クラッドとして働く。ＳｉＮｘ５２の屈折率の温度係数は正であり、ＴｉＯ２５１と電気光学ポリマー５３の屈折率の温度係数は負である。これらの材料の寸法を適切に選ぶことにより、アサーマル化されたＴＥ単一モードの光導波路を形成することができる。
　このような構成の光導波路を用いた光フィルタにより、実施形態１と同様に波長多重光が入力され、フィルタリングされるとともに、共振周波数が制御される。
　なお、本実施形態において、図１１Ａに示すように、電気光学ポリマー５３のコア５０近傍の部分に電界が集中するように電極５４、５５を配置してもよい。電気光学ポリマー５３のコア５０側面近傍は、ＴＥモード光の電界が集中している部分であり、下部電極５４と上部電極５５の間に電圧を加えることで、ＴＥモードの等価屈折率を効果的に変化させることができる。あるいは、図１１Ｂに示すように、光導波路のコア５０と電気光学ポリマー５３を挟むように電極５６、５７を設けて、電界を横方向にかける構造にしてもよい。
　なお、本実施形態において、負のｄｎ／ｄＴを有し、屈折率の高いＴｉＯ２５１をコアとして用いているが、ＴｉＯ２５１に代えて、電気光学ポリマー５３や、他の有機材料を併用した電気光学ポリマーを用いてもよい。このほか、ＣａＦ２などの無機材料も、ｄｎ／ｄＴが負のクラッドとして使用することができる。
　本実施形態によれば、実施形態１と同様に、アサーマル化された光導波路を用い、電気光学材料として電気光学ポリマーを近傍に設け、受光素子と電圧制御回路によるフィードバック制御を行うことにより、受光素子からの電気出力レベルに応じて、電圧制御回路より電気光学材料に直流電界を印加してその屈折率を変化させ、ウエハ内の位置による共振波長のばらつきや、光フィルタの波長特性、光源波長の緩やかな変化を、実質的な電力消費なく、自動的に補償することができる。さらに、電気光学ポリマーなどの有機物を用いる場合、材料の特性に多少の経時変化が生じるが、このような経時変化に対しても対応することが可能である。
（実施形態４）
　図１２は、本実施形態に係るリング共振器型光フィルタを構成するアモルファス（ａ−）Ｓｉ光細線スロット導波路の断面図である。光導波路の平面配置は、実施形態１と同様であるが、共振波長変化手段として、電気光学ポリマーをスロットに埋め込み、スロット光導波路が形成されている点で異なっている。
　図１２に示すように、Ｓｉ基板６０上に、厚さ２μｍのＳｉＯ２膜６１と厚さ５００ｎｍのＴｉＯ２膜６２が順に形成されている。その上に例えば８０ｎｍの溝を隔てて対抗する厚さ２２０ｎｍ、幅２００ｎｍのｎ−−ａ−Ｓｉメサ６３ａ、６３ｂと、この溝の中に埋め込まれ、あらかじめポーリングにより分極の方向が揃えられ電気光学ポリマー６４からなるスロット光導波路６５が形成されている。ｎ−−ａ−Ｓｉメサ６３ａ、６３ｂは、例えばそれぞれ厚さ８０ｎｍのｎ＋−ａ−Ｓｉ導電層６６ａ、６６ｂを介して厚さ２２０ｎｍのｎ＋＋−ａ−Ｓｉコンタクト領域６７ａ、６７ｂと電気的に接続されており、ｎ＋＋−ａ−Ｓｉコンタクト領域６７ａ、６７ｂの上にはそれぞれオーミック電極６８ａ、６８ｂが形成されている。これらの構造は、ポリマー上部クラッド（ポリマー層）６９により埋め込まれている。
　このような構造において、ｄｎ／ｄＴが正のＳｉＯ２膜６１とＳｉ層６３ａ、６３ｂ、６６ａ、６６ｂと、ｄｎ／ｄＴが負のＴｉＯ２膜６２、電気光学ポリマー６４、ポリマー層６９について、アサーマル条件を満たし、かつ単一モードとなるように寸法や組成が設定される。
　このような構成の光導波路を用いた光フィルタにより、実施形態１と同様に波長多重光が入力され、フィルタリングされる。このとき、オーミック電極６８ａと６８ｂの間に電圧を印加すれば、ｎ−−ａ−Ｓｉメサ６３ａと６３ｂにはさまれた電気光学ポリマー６４に集中的に電界がかかり、屈折率が変化し、共振周波数が制御される。
　本実施形態によれば、実施形態３と同様に、アサーマル化された光導波路を用い、電気光学材料である電気光学ポリマーを近傍に設け、受光素子と電圧制御回路によるフィードバック制御を行うことにより、受光素子からの電気出力レベルに応じて、電圧制御回路より電気光学材料に直流電界を印加してその屈折率を変化させ、ウエハ内の位置による共振波長のばらつきや、光フィルタの波長特性、光源波長の緩やかな変化を、実質的な電力消費なく、自動的に補償することができる。さらに、電気光学ポリマーが埋め込まれたスロットの幅が狭いので、ＴＥモード光の電界が集中し、低い電圧でも大きな電界を誘起することができ、効率よく共振器の共振波長を変化させることができる。なお、スロットが狭いため、静電容量は比較的大きいが、高速変調する必要はなく、特に問題にはならない。
　なお、上述した実施形態では、電気光学ポリマーを挟んで配置される両方のａ−Ｓｉがｎ型であるものとして構成したが、一方がｎ型であり他方がｐ型であるものとして構成してもよく、また、両方がｐ型であるものとして構成してもよい。また、Ｓｉ中のキャリアプラズマ効果とポリマー中のＥＯ効果とが同じ向きになるように設定しておくと良い。
（実施形態５）
　図１３は、本実施形態に係るリング共振器型光フィルタを構成する光導波路の断面図である。光導波路の平面配置は、実施形態１と同様であるが、共振波長変化手段として、さらに圧電素子を用いている点で異なっている。
　図１３に示すように、ＳｉＯ２基板７０上に下部共通電極７１が形成されており、その上にＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）下部クラッド層（ＳＴＯ層）７２、ＰＬＺＴコア層７３、ＳＴＯ上部クラッド層（ＳＴＯ層）７４からなる幅約５００ｎｍの積層構造を、左右から幅約２５０ｎｍのＴｉＯ２クラッド層７５とさらにその外側のＳｉＯ２クラッド層７６で挟んだアサーマル光導波路７７が形成されている。この光導波路７７の上にはＩＴＯ透明電極７８が形成されている。また、光導波路７７の外側には、圧電材料であるＰＺＴ層７９が形成されており、ＰＺＴ圧電層７９の上には電極８０が形成されている。
　このような構成の光導波路を用いた光フィルタにより、実施形態１と同様に波長多重光が入力され、フィルタリングされるとともに、共振周波数が制御される。このとき、下部共通電極７１と透明電極７８の間に電圧を印加すると、電気光学効果によりＰＬＺＴコア層７３の屈折率が変化する。また、下部共通電極７１と電極８０の間に電圧を印加すると、圧電効果によりＰＺＴ層７９が変形し、光導波路７７にひずみと応力が発生し、その結果、光弾性効果により光導波路７７を構成するＰＬＺＴ７３、ＳＴＯ７２，７４、ＴｉＯ２７５の屈折率が変化する。等価屈折率の変化の向きが同じになるように透明電極７８と電極８０に印加する電圧の極性を設定すれば、一方のみの場合と比べて小さな電圧で、より大きな等価屈折率変化、ひいてはより大きな共振波長変化を得ることができる。ただし、ひずみや応力が集積化された他のデバイスへの影響を抑えられるよう、独立した圧電素子間のアイソレーション等にも考慮する必要がある。
　本実施形態のように二つの屈折率変化手段を併用する場合は、一方を粗調整、他方を微調整のように使い分けることも可能である。あるいは、一方は図４のような複数の波長フィルタを一括制御するのに用い、他方は個々の波長フィルタを個別に微調整するのに利用するという使い方もできる。光変調器に応用する場合、高速の信号変調に電気光学効果を使い、共振波長制御に圧電効果を使うという使い分けもできる。もちろん、ＰＺＴ層の圧電効果のみで波長フィルタの共振波長制御を行うことも可能である。
　本実施形態によれば、実施形態１と同様に、アサーマル化された光導波路を用い、圧電材料であるＰＺＴ層を近傍に設け、受光素子と電圧制御回路によるフィードバック制御を行うことにより、受光素子からの電気出力レベルに応じて、電圧制御回路よりコアであるＰＬＺＴおよびＰＺＴ層に直流電界を印加して、光導波路の屈折率を変化させ、ウエハ内の位置による共振波長のばらつきや、光フィルタの波長特性、光源波長の緩やかな変化を、実質的な電力消費なく、自動的に補償することができる。さらに、二つの屈折率変化手段を併用することにより、より高精度な制御が可能となる。
（実施形態６）
　図１４は、本実施形態に係るリング共振器型光フィルタを構成する光導波路の断面図である。光導波路の平面配置は、実施形態１と同様であるが、共振波長変化手段として、液晶を用いている点で異なっている。
　図１４に示すように、下部共通電極７１の上に形成された液晶８１の中にＳｉＯ２下部クラッド層８２、ＴｉＯ２コア層８３、ＳｉＮコア層８４からなるアサーマル光導波路８５が埋め込まれており、液晶８１の上部には透明電極７８が形成されている。必要に応じて、液晶８１と電極７１、透明電極７８の間に液晶の配向を制御するための膜を挿入してもよい。
　このような構成の光導波路を用いた光フィルタにより、実施形態１と同様に波長多重光が入力され、フィルタリングされるとともに、共振周波数が制御される。このとき、下部共通電極７１と透明電極７８の間に数Ｖの交流電圧を印加することが好ましい。交流電圧を印加することにより、液晶の配向方向が大きく変化し、その結果、導波光に対する等価屈折率も大きく変化するとともに、液晶材料の焼き付きを防ぐことができる。なお、周波数は低くてよいので、充放電に伴う電力消費はそれほど大きな値にはならず、マイクロヒータや基板冷却を利用した波長制御と比べれば、大幅に消費電力を低減することができる。ただし、液晶材料としては、電圧印加時にも無印加時にも導波光に対する損失の小さなものを用いることが好ましい。
　なお、光導波路は、ＳｉＮ／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２系に限定されるものではなく、Ｓｉ／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２系など、他の系の光導波路についても同様の構成が可能である。
　本実施形態によれば、実施形態１と同様に、アサーマル化された光導波路を用い、液晶の中にコアを設け、受光素子と電圧制御回路によるフィードバック制御を行うことにより、受光素子からの電気出力レベルに応じて、電圧制御回路より液晶に直流電界を印加して、その配向方向の変動により光導波路の屈折率を変化させ、ウエハ内の位置による共振波長のばらつきや、光フィルタの波長特性、光源波長の緩やかな変化を、実質的な電力消費なく、自動的に補償することができる。特に、交流電圧の印加により液晶の配向方向が大きく変化することから、等価屈折率を大きく変化させることができる。
　この出願は、２０１０年３月５日に出願された日本出願特願第２０１０−０４９３３４号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
　１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅ、１０１ｆ、１０１ｇ、１０１ｈ：光フィルタ
　２：入力光導波路
　３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈ：出力光導波路
　４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ：リング光導波路
　５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ：方向性結合器
　６：ＳｉＮｘ／ＴｉＯ２コア光導波路
　７：ＰＬＺＴ／ＴｉＯ２コア光導波路
　８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、５４、５５、５６、５７、７１、８０：電極
　１０：入力ポート
　１１：ドロップポート
　１２：スルーポート
　１３、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ、１５ｇ、１５ｈ、３８：受光素子
　１４、３９：電圧制御回路
　１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ：ＴＩＡ
　１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆ、１７ｇ、１７ｈ：デジタル信号回路
　２０：Ｓｉ基板
　２１、２１ｂ、６１、７０、７７、８２：ＳｉＯ２
　２２、５１、６２、７６、８３：ＴｉＯ２
　２３ａ、２３ｂ：ＰＬＺＴ
　２４ａ、２４ｂ、５２、８４：ＳｉＮｘ
　３１：入出力光導波路
　３２：リング共振器
　３３：モニタ光導波路
　３４：光方向性結合器
　３５：光変調部
　３６：共振波長制御部
　４０：変調器駆動回路
　５０：コア
　５３、６４：電気光学ポリマー
　６０：Ｓｉ基板
　６３ａ、６３ｂ：Ｓｉメサ
　６５：スロット光導波路
　６６ａ、６６ｂ：ｎ＋−ａ−Ｓｉ導電層
　６７ａ、６７ｂ：ｎ＋＋−ａ−Ｓｉコンタクト領域
　６８ａ、６８ｂ：オーミック電極
　６９：ポリマー層
　７２、７４：ＳＴＯ層
　７７：光導波路
　７８：透明電極
　７９：ＰＺＴ層
　８１：液晶

Claims (8)

  1. 　屈折率の温度係数が正の材料と負の材料を組み合わせてなり、アサーマル化された光導波路を備える少なくとも一つのリング共振器と、
    　前記光導波路の少なくとも一部または近傍に設けられ、電圧の印加により前記リング共振器の共振波長を変化させる共振波長変化手段と、
    　前記リング共振器の少なくとも一つの光出力を電気出力として検出する受光素子と、
    　前記共振波長変化手段に印加される電圧を、前記受光素子の電気出力レベルに応じて、調整する電圧制御回路と、
    を備えることを特徴とするアサーマル光導波素子。
  2. 　前記リング共振器を複数有し、複数の前記リング共振器で前記受光素子と前記電圧制御回路が共有されることを特徴とする請求項１記載のアサーマル光導波素子。
  3. 　共振波長が隣接するチャネルと少しずつ異なる複数チャネルからなる複数の前記リング共振器を有し、それぞれの前記共振波長変化手段は、共振波長を隣接するチャネルとの共振波長の差の１／２以上波長を変化可能であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアサーマル光導波素子。
  4. 　さらに前記電圧制御回路と独立した高速光変調回路を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアサーマル光導波素子。
  5. 　前記共振波長変化手段は、電圧の印加により前記光導波路の一部ないし近傍に設けられた電気光学材料の屈折率を変化させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアサーマル光導波素子。
  6. 　前記電気光学材料は強誘電体であり、電圧を印加するための二つの電極の間に接続配置されることを特徴とする、請求項５記載のアサーマル光導波素子。
  7. 　前記共振波長変化手段は、電圧の印加により前記光導波路の一部ないし近傍に設けられた圧電材料にひずみまたは応力を発生させ、光弾性効果により前記光導波路の一部ないし近傍の材料の屈折率を変化させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアサーマル光導波素子。
  8. 　前記共振波長変化手段は、電圧の印加により前記光導波路の一部ないし近傍に設けられた液晶材料の配向を変化させ、前記光導波路の一部ないし近傍の材料の屈折率を変化させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアサーマル光導波素子。
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