(57)【要約】【課題】周囲温度の変化に応じて、溝に充填された屈折率補償樹脂に圧力を加えることで、屈折率補償樹脂の屈折率を増加させるアレイ導波路回折格子型光合分波器を提供することを目的とする。【解決手段】シリコン基板上に入出力チャネル導波路と、入出力スラブ導波路と、複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路と、入出力スラブ導波路のクラッド及びコアの一部を除去して形成され、屈折率補償樹脂が充填される溝を備えることを特徴とする。【選択図】図２
2010107667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路基板上に
少なくとも１本以上の入力チャネル導波路と、
前記入力チャネル導波路に接続される入力スラブ導波路と、
前記入力スラブ導波路に接続される複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路と、
前記アレイ導波路に接続される出力スラブ導波路と、
前記出力スラブ導波路に接続される少なくとも１本以上の出力チャネル導波路と、
前記入力スラブ導波路又は前記出力スラブ導波路のクラッド及びコアの一部を除去して形成される溝と、
前記溝を覆う加圧室、前記加圧室に通じる中空部を有するシリンダ、及び前記シリンダ内に配置され、前記加圧室内を加圧するピストンを有する加圧機構と、
温度変化に応じて前記ピストンに荷重を与え、前記ピストンを往復運動させるピストン駆動機構と、
前記溝と前記加圧室と前記シリンダの中空部に充填される屈折率補償樹脂と、
を備えることを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波器。
【請求項２】
導波路基板上に
少なくとも１本以上の入力チャネル導波路と、
前記入力チャネル導波路に接続される入力スラブ導波路と、
前記入力スラブ導波路に接続される複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路と、
前記アレイ導波路に接続される出力スラブ導波路と、
前記出力スラブ導波路に接続される少なくとも１本以上の出力チャネル導波路と、
前記アレイ導波路のクラッド及びコアの一部を除去して形成される溝と、
前記溝を覆う加圧室、前記加圧室に通じる中空部を有するシリンダ、及び前記シリンダ内に配置され、前記加圧室内を加圧するピストンを有する加圧機構と、
温度変化に応じて前記ピストンに荷重を与え、前記ピストンを往復運動させるピストン駆動機構と、
前記溝と前記加圧室と前記シリンダの中空部に充填される屈折率補償樹脂と、
を備えることを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波器。
【請求項３】
前記ピストンは光ファイバであり、前記シリンダは前記光ファイバを接続するための光ファイバ接続用ガラスキャピラリであることを特徴とする請求項１又は２に記載されるアレイ導波路回折格子型光合分波器。
【請求項４】
前記ピストン駆動機構は、異なる長さの高膨張側が接する片持ち支持の二つのバイメタルによって構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載されるアレイ導波路回折格子型光合分波器。
【請求項５】
前記アレイ導波路の実効屈折率の温度係数と異なる符号の屈折率温度係数を有する屈折率補償樹脂が前記溝、前記加圧室及び前記シリンダの中空部に充填されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載されるアレイ導波路回折格子型光合分波器。
【請求項６】
前記屈折率補償樹脂は、シリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１から５に記載されるアレイ導波路回折格子型光合分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に適用される光合分波器に関する。特に、波長分割多重システムにおいて、波長の異なる光信号の多重、分離を行う光合分波器であって、アレイ導波路回折格子型光合分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長分割多重システムでは、多くの異なる波長の光信号を合波あるいは分波する光合分波器が必要不可欠である。光合分波器としては量産性、安定性の点からアレイ導波路回折格子型光合分波器が多く使われている。アレイ導波路回折格子型光合分波器の従来構成について説明する。
【０００３】
アレイ導波路回折格子型光合分波器の導波路基板としてシリコンウェハが用いられ、シリコンウェハの上に形成する導波路材料には石英系ガラスが用いられている。図１に従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器を示す。アレイ導波路回折格子型光合分波器の透過中心波長をλ０とすると、λ０は数式１で定まる。
【０００４】
【数１】
2010107667.tif 000003
ここで、ΔＬ：アレイ導波路における隣り合うチャネル導波路の長さの差、ｍ：回折次数、ｎｅ：チャネル導波路の実効屈折率である。
【０００５】
アレイ導波路回折格子型光合分波器に使用する導波路材料の石英系ガラスには温度依存性があり、温度上昇につれて屈折率が増加する。このため、透過中心波長は、温度上昇につれて長波長側にシフトする。
【０００６】
よって、アレイ導波路回折格子型光合分波器を使用する際には、温度を一定に保つための制御が求められていた。しかし、ヒータやペルチェ素子を利用すれば電力供給が必要となり、アレイ導波路回折格子型光合分波器の大きさが大きくなり、価格が高くなるという課題があった。そこで、導波路と異なる符号の温度係数を持つ屈折率補償樹脂を光路長差に相当する割合で挿入する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。導波路と異なる符号の温度係数を持つ屈折率補償樹脂を光路長差に相当する割合で挿入し、数式２のように波長の温度依存性を相殺している。アレイ導波路回折格子型光合分波器の温度をＴ、透過中心波長をλｃ（Ｔ）とする。
【数２】
2010107667.tif 000004
ここで、ｎｅ（Ｔ）：導波路の実効屈折率、ｎ’（Ｔ）：屈折率補償樹脂の屈折率、ΔＬ’：屈折率補償樹脂挿入部の隣り合うチャネル導波路の長さの差である。
【特許文献１】ＷＯ９８／３６２９９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の、例えば波長域１．５５μｍ帯のアレイ導波路回折格子型光合分波器の波長間隔は、これまでは１００ＧＨｚすなわち０．８ｎｍが最小間隔であったが、通信容量増大の要求に応えるため、今後は５０ＧＨｚ間隔、すなわち波長で言うと０．４ｎｍ間隔が要求される。この場合、温度範囲−４０℃〜９０℃では、温度安定性は波長間隔の１０％以下、すなわちシフト幅を０．０４ｎｍ以下にすることが要求されることになる。しかしながら、ｎｅ（Ｔ）は温度の二次関数であるのに対して、ｎ’（Ｔ）は温度に対して線形であることから、シフト幅を０．０８ｎｍ以下に低下させるのは極めて困難であり、対応できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電力供給が不要で、温度変化による透過中心波長のシフト幅を低減できるアレイ導波路回折格子型光合分波器を安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本願発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、加圧によって屈折率の変化する屈折率補償樹脂を用いて温度補償する構成とした。
【００１０】
具体的には、本願発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、導波路基板上に少なくとも１本以上の入力チャネル導波路と、前記入力チャネル導波路に接続される入力スラブ導波路と、前記入力スラブ導波路に接続される複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続される出力スラブ導波路と、前記出力スラブ導波路に接続される少なくとも１本以上の出力チャネル導波路と、前記入力スラブ導波路又は前記出力スラブ導波路のクラッド及びコアの一部を除去して形成される溝と、前記溝を覆う加圧室、前記加圧室に通じる中空部を有するシリンダ、及び前記シリンダ内に配置され、前記加圧室内を加圧するピストンを有する加圧機構と、温度変化に応じて前記ピストンに荷重を与え、前記ピストンを往復運動させるピストン駆動機構と、前記溝と前記加圧室と前記シリンダの中空部に充填される屈折率補償樹脂と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、アレイ導波路回折格子型光合分波器は、入力スラブ導波路又は出力スラブ導波路に形成された溝に充填される屈折率補償樹脂の屈折率を加圧量で制御することにより、透過中心波長のシフト幅を低減できる。
【００１２】
また、本願発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、導波路基板上に少なくとも１本以上の入力チャネル導波路と、前記入力チャネル導波路に接続される入力スラブ導波路と、前記入力スラブ導波路に接続される複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続される出力スラブ導波路と、前記出力スラブ導波路に接続される少なくとも１本以上の出力チャネル導波路と、前記アレイ導波路のクラッド及びコアの一部を除去して形成される溝と、前記溝を覆う加圧室、前記加圧室に通じる中空部を有するシリンダ、及び前記シリンダ内に配置され、前記加圧室内を加圧するピストンを有する加圧機構と、温度変化に応じて前記ピストンに荷重を与え、前記ピストンを往復運動させるピストン駆動機構と、前記溝と前記加圧室と前記シリンダの中空部に充填される屈折率補償樹脂と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、アレイ導波路回折格子型光合分波器は、アレイ導波路に形成された溝に充填される屈折率補償樹脂の屈折率を加圧量で制御することにより、透過中心波長のシフト幅を低減できる。
【００１４】
また、本願発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器に備えられた加圧機構のピストン及びシリンダは前記ピストンは光ファイバであり、前記シリンダは前記光ファイバを接続するための光ファイバ接続用ガラスキャピラリであることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、アレイ導波路回折格子型光合分波器に備えられた加圧機構は、屈折率補償樹脂に接する光ファイバの反射減衰量の測定を容易に行うことができる。すなわち、加圧状態における屈折率補償樹脂の屈折率を算出することができる。
【００１６】
また、本願発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器に備えられた加圧機構の駆動装置は、前記ピストン駆動機構は、異なる長さの高膨張側が接する片持ち支持の二つのバイメタルによって構成されることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、アレイ導波路回折格子型光合分波器に備えられた加圧機構の駆動装置は、異なる長さの二つのバイメタルを用いることにより、温度変化に応じたバイメタルの湾曲が得られ、ピストン駆動機構は温度変化に応じて動作できる。よって、加圧機構に備えられたピストンは、温度変化に応じた屈折率補償樹脂の加圧をすることができる。
【００１８】
また、本願発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器に形成された溝に充填された屈折率補償樹脂は、前記アレイ導波路の実効屈折率の温度係数と異なる符号の屈折率温度係数を有する屈折率補償樹脂が前記溝、前記加圧室及び前記シリンダの中空部に充填されていることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、アレイ導波路回折格子型光合分波器は、従来の屈折率補償樹脂を用いて透過中心波長の温度依存性を解消しつつ、屈折率補償樹脂の加圧により透過中心波長のシフト幅を低減できる。
【００２０】
また、本願発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器に形成された溝に充填された前記屈折率補償樹脂は、シリコーン樹脂であることを特徴とする。
【００２１】
なお、上記構成は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、上記課題を解決し、電力供給が不要で、温度変化による透過中心波長のシフト幅を低減できるアレイ導波路回折格子型光合分波器を安価に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００２４】
（実施形態１）
以下、本発明を実施するための形態を図面に基いて説明する。図２に、本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の概略図を示す。図２において、シリコン基板１１上に石英系導波路で構成され、石英系導波路は、入力ポート１２に接続される少なくとも１本以上の入力チャネル導波路１３と、入力チャネル導波路１３に接続される入力スラブ導波路１４と、入力スラブ導波路１４に接続される複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路１５と、アレイ導波路１５に接続される出力スラブ導波路１６と、出力スラブ導波路１６に接続される少なくとも１本以上の出力チャネル導波路１７と、入力スラブ導波路１４又は出力スラブ導波路１６のクラッド及びコアの一部を除去して形成される溝２１と、溝２１を覆う加圧室３２、加圧室３２に通じる中空部を有するシリンダ３１、及びシリンダ３１内に配置され、加圧室３２を加圧するピストン３３を有する加圧機構３０と、温度変化に応じてピストン３３に荷重を与え、ピストン３３を往復運動させるピストン駆動機構４０と、溝２１と加圧室３２とシリンダ３１の中空部に充填される屈折率補償樹脂２２と、を備える。
【００２５】
入力チャネル導波路１３に入力された種々の波長を含んだ光は、入力スラブ導波路１４によりチャネル導波路からなるアレイ導波路１５のコアのそれぞれに入力される。アレイ導波路１５に入力された光は、コアのそれぞれを伝搬して出力スラブ導波路１６に到達すると、波長に依存して等位相面が傾斜するため、出力スラブ導波路１６と出力チャネル導波路１７の接続面において光の集光位置がシフトする。このため、出力スラブ導波路１６から出力された光は、等位相面のシフト状態に応じて選択的に出力ポート１８−１〜１８−６４へ出力され、６４本の導波路からは異なる波長の光が出力される。
【００２６】
溝２１は、図２のアレイ導波路回折格子型光合分波器の入力スラブ導波路１４において、入力導波路端とアレイ導波路端を結ぶ線分を横切るようにクラッド及びコアの一部を除去して形成される。溝２１の数は限定されない。溝２１は湾曲したアレイ導波路１５の内側方向で溝２１幅が狭くなり、外側方向で溝２１幅が広くなる円弧状の形状である。溝２１に充填される屈折率補償樹脂２２は、アレイ導波路１５のチャネル導波路における光路長差の温度依存性を補償する。溝２１は、入力スラブ導波路１４ではなく、出力スラブ導波路１６に配置されていてもよい。
【００２７】
そして、アレイ導波路回折格子型光合分波器は、屈折率補償樹脂２２を密閉し、加圧するために加圧機構３０を備える。加圧機構３０は、中空部を有するシリンダ３１、加圧室３２及びピストン３３を有し、入力スラブ導波路１４あるいは出力スラブ導波路１６、又はアレイ導波路１５の外部に設けられている。図３に示すように、中空部を有するシリンダ３１は、溝２１を覆うように設けられる加圧室３２に通じている。ピストン３３は、シリンダ３１内に配置され、溝２１、シリンダ３１及び加圧室３２に充填された屈折率補償樹脂２２を加圧する。
【００２８】
この構成により、本発明に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器は、入力スラブ導波路１４又は出力スラブ導波路１６に形成された溝２１に充填される屈折率補償樹脂２２の屈折率を加圧量で制御することにより、透過中心波長のシフト幅を低減できる。加圧機構３０は簡単な構造の部品で構成されるため、組み立て、整備等が容易である。また、ピストン３３は、単純な往復運動のみで駆動するため、ピストン駆動機構４０の簡易化が図れる。
【００２９】
上記構成における加圧機構３０の動作は、想定温度範囲−４０℃〜９０℃における中心温度Ｔ０＝２５℃において、あらかじめ屈折率補償樹脂２２を加圧しておく。これにより、屈折率補償樹脂２２の屈折率を中心温度Ｔ０＝２５℃において増加させておき、中心温度Ｔ０＝２５℃より高温側又は低温側で圧力を下げる。以下に詳細な動作について、説明する。
【００３０】
数式２より、透過中心波長λｃ（Ｔ）が温度に依存しない場合、数式２の温度微分はゼロとすればよい。すなわち、ΔＬ及びΔＬ’は一定距離として、導波路の実効屈折率ｎｅ（Ｔ）と屈折率補償樹脂２２の屈折率ｎ’（Ｔ）の温度変化に対する条件として、次の数式３で表される。
【００３１】
【数３】
2010107667.tif 000005
ここで、導波路の実効屈折率ｎｅ（Ｔ）と、屈折率補償樹脂２２の屈折率ｎ’（Ｔ）の温度依存性が問題となる。まず、導波路の実効屈折率ｎｅ（Ｔ）の温度依存性について述べる。導波路材としては、温度変化に対して安定なことで知られる石英が用いられており、導波路の実効屈折率ｎｅ（Ｔ）の温度依存性は石英の屈折率の温度依存性で論じられる。石英の屈折率温度依存性のグラフを図４に示す。石英の屈折率の温度依存性の振る舞いは、通常の樹脂類とは逆に、温度上昇につれて屈折率が増加し、二次曲線形状を呈する。その曲線は、温度をＴとして、以下の数式４で表される。
【００３２】
【数４】
2010107667.tif 000006
従来、アレイ導波路回折格子型光合分波器を設計する際には、これを直線近似していた。例えば、図４の点線に示すように、想定温度範囲を−４０〜９０℃とした場合、この範囲で中心温度Ｔ０＝２５℃でｎｅ（Ｔ）と一致する直線で近似して、以下の数式５で表される。
【００３３】
【数５】
2010107667.tif 000007
図５は、縦軸は導波路の実効屈折率ｎｅ（Ｔ）とｎｅａ（Ｔ）の差であり、想定温度範囲の中心温度Ｔ０でゼロとなるほぼ対称な二次曲線となる。これに適用する屈折率補償樹脂２２の屈折率の温度依存性は、数式３からも明らかなように、導波路材とは逆の負の温度依存性を持ち、かつその変化量も大である必要がある。従来はこれを満たすものとして、シリコーン樹脂が用いられていた。例として、図６に、ポリアルキル系シロキサンの屈折率の温度依存性を示す。ポリアルキル系シロキサンは極めて良好な直線性を示し、その温度依存性は以下の数式６で表される。
【００３４】
【数６】
2010107667.tif 000008
このように、導波路材の屈折率の温度依存性を直線で近似すると、屈折率補償樹脂２２は直線性が高いので、数式３において、導波路材及び屈折率補償樹脂２２の屈折率の温度依存性は定数となり、アレイ導波路１５の隣接光路長差ΔＬと溝２１の隣接光路長差ΔＬ’に対して、以下の数式７が導かれる。
【００３５】
【数７】
2010107667.tif 000009
ここで、α’：屈折率補償樹脂２２の屈折率温度係数、αｅａ：導波路材の実効屈折率温度係数の直線近似値である。
【００３６】
溝２１の幅ΔＬ’はできるだけ小さい方が溝２１での伝搬損失を抑える上から望ましく、数式７から明らかなように、α’の絶対値はαｅａに比べて大きく、できれば４０以上あるのが望ましい。例えばシリコーン樹脂はこのような材料条件を満たす。数式５及び数式６より、α’＝９×１０−６、αｅａ＝−０．０００３７１となり、｜α’｜〜４１．２２αｅａとなる。
【００３７】
このような近似では、設計上の透過中心波長λｃ’（Ｔ）は、数式２で導波路実効屈折率ｎｅ（Ｔ）を直線近似値ｎｅａ（Ｔ）で入れ替えて、次の数式８で表される。
【００３８】
【数８】
2010107667.tif 000010
図５に示すように、実際の導波路実効屈折率ｎｅ（Ｔ）は、想定温度範囲の中心温度Ｔ０＝２５℃では設計上の実効屈折率ｎｅａ（Ｔ）と等しくなるものの、それ以外の温度範囲ではｎｅａ（Ｔ）よりも大きくなるため、透過中心波長は、数式２及び数式８より導かれる次の数式９で算出される値の分だけ長波長側へずれることになる。
【００３９】
【数９】
2010107667.tif 000011
図５から明らかなように、Δλｃ（Ｔ）は中心温度Ｔ０＝２５℃を最低値ゼロとする二次曲線となる。このシフトされる量、すなわち透過中心波長λｃのシフト幅は、図７において示すように、温度範囲−４０℃〜９０℃、波長間隔１００ＧＨｚ、チャネル数３２ｃｈの１．５５μｍ帯アレイ導波路回折格子型光合分波器では、０．０８ｎｍとなる。
【００４０】
次に、屈折率補償樹脂２２の圧力による屈折率変化を、本発明におけるアレイ導波路回折格子型光合分波器の温度依存性の補償に具体的に適用する。屈折率補償樹脂２２の屈折率を、温度Ｔに応じてΔｎ’（Ｔ）だけ微調することを考えると、微調後のアレイ導波路回折格子型光合分波器の透過中心波長λｃｃ（Ｔ）は、数式２の類推から、以下の数式１０で表される。
【００４１】
【数１０】
2010107667.tif 000012
ここで、ｎ’（Ｔ）：温度Ｔにおける屈折率補償樹脂２２の屈折率、ｎｅ（Ｔ）：導波路の実効屈折率、ΔＬ’：屈折率補償樹脂２２挿入部の隣り合うチャネル導波路の長さの差である。
【００４２】
この温度変化後の透過中心波長λｃｃ（Ｔ）と設計上の透過中心波長λｃ’（Ｔ）との差は数式７、８及び１０より、以下の数式１１で表される。
【数１１】
2010107667.tif 000013
【００４３】
実際の透過中心波長と設計上の透過中心波長が一致する場合、数式１１における温度変化後の透過中心波長λｃｃ（Ｔ）と設計上の透過中心波長λｃ’（Ｔ）との差はゼロとなる。よって、温度Ｔに対して屈折率Δｎ’（Ｔ）が以下の数式１２を満たせばよい。
【数１２】
2010107667.tif 000014
【００４４】
しかし、屈折率補償樹脂２２の屈折率温度係数α’は負の値であり、図５から明らかなように、数式１２は想定温度範囲の中心温度Ｔ０で最大値ゼロとなる負の二次曲線である。すなわち、屈折率補償樹脂２２の屈折率を下げる必要がある。よって、屈折率補償樹脂２２にかかる圧力は常圧より低くする必要がある。これは、屈折率補償樹脂２２中に容易に気泡が発生して、その時点で圧力が変化しなくなり、圧力による屈折率補償樹脂２２の屈折率変化を利用できなくなるためである。すなわち、常圧以上の加圧状態でしか利用できない。
【００４５】
そこで本発明では、正の圧力領域で上記屈折率補償樹脂２２の屈折率の変化を利用するために、あらかじめ想定温度範囲の中心温度Ｔ０において屈折率補償樹脂２２を加圧して屈折率を上げ、中心温度Ｔ０より高温側、低温側において屈折率補償樹脂２２の圧力を下げて屈折率を下げる動作とした。以下に、この動作による効果を示す。
【００４６】
あらかじめかさ上げする屈折率をΔｎｐとすると、この場合の微調屈折率ΔＮ’（Ｔ）は、以下の数式１３で表される。
【数１３】
2010107667.tif 000015
【００４７】
想定温度領域をＴ０±ΔＴとして、この温度領域で数式１３が正となるようにΔｎｐを設定する。ここで、圧力による屈折率補償樹脂２２の屈折率が温度に依存しないと仮定すると、屈折率補償樹脂２２の屈折率の温度特性は、図６上において平行移動するだけであり、温度係数α’は変わらない。よって、かさ上げした場合の中心波長Λｃｃ（Ｔ）は、以下の数式１４で表される。
【数１４】
2010107667.tif 000016
【００４８】
想定温度範囲の中心温度Ｔ０におけるΛｃｃ（Ｔ）においてＴ＝Ｔ０として、数式２、数式１３、数式１４を用いて、以下の数式１５で表される。
【数１５】
2010107667.tif 000017
【００４９】
数式１５は、かさ上げする屈折率Δｎｐによる、中心波長のシフト幅である。本発明では、微調屈折率ΔＮ’（Ｔ）を、図８上図に示すように、Ｔ０を中心として以下の二本の直線式、数式１６及び数式１７で近似する。
【数１６】
2010107667.tif 000018
ただし、ΔＮａｈ’（Ｔ）：高温側微調屈折率、Ｔ０＜Ｔ、Ｃｈ＜０とする。
【数１７】
2010107667.tif 000019
ただし、ΔＮａｌ’（Ｔ）：低温側微調屈折率、Ｔ＜Ｔ０、０＜Ｃｌとする。
【００５０】
数式１６及び数式１７は、共に（Ｔ０、Δｎｐ）を通り、高温側は（Ｔ０＋ΔＴ、０）、低温側は（Ｔ０−ΔＴ、０）を通る。この場合の微調中心波長の温度依存性Λｃｃ（Ｔ）、および設計上の中心波長の温度依存性をΛｃｃ’（Ｔ）とすると、それぞれ以下の数式１８、数式１９で表される。
【数１８】
2010107667.tif 000020
【数１９】
2010107667.tif 000021
【００５１】
これらの差は、数式１８及び数式１９より、以下の数式２０で表される。
【数２０】
2010107667.tif 000022
【００５２】
ここで、数式７を用いると、数式２０は以下の数式２１へ変形される。
【数２１】
2010107667.tif 000023
ここで、数式１３を用いると、数式２１は以下の数式２２へ変形される。
【数２２】
2010107667.tif 000024
【００５３】
数式２２は、図８下図に示すようなＷ型の補償曲線となる。一方、本発明における、温度変化に追随する加圧による補償をしない従来技術においては、ΔＮａｈ，ｌ’（Ｔ）＝Δｎｐとして、次の数式２３で表される。
【数２３】
2010107667.tif 000025
【００５４】
図８上図から、想定温度範囲Ｔ０±ΔＴにおける、従来技術を用いた場合及び本発明の技術を用いた場合の中心波長のシフト幅の大小関係は、以下の数式２４で表される。
【数２４】
2010107667.tif 000026
よって、本発明の実施形態による中心波長のシフト幅は、従来技術を用いた場合と比較して小さくなる。
【００５５】
ここで、ピストン３３は例えば光ファイバでもよい。また、シリンダ３１は例えば前記の光ファイバを接続するための光ファイバ接続用ガラスキャピラリでもよい。ピストン３３及びシリンダ３１の断面積を減らし、少ない荷重でピストン３３を往復運動させることができる。
【００５６】
加圧機構３０が有するピストン３３は、ピストン駆動機構４０により駆動される。ピストン駆動機構４０は、異なる長さの高膨張側が接する片持ち支持である長いバイメタル４１及び短いバイメタル４２によって構成され、温度変化に応じて長いバイメタル４１の湾曲によりピストン３３に荷重を与えて、ピストン３３を往復運動させる。
【００５７】
屈折率補償樹脂２２は、アレイ導波路１５の実効屈折率の温度係数と異なる符号の屈折率温度係数を有する。屈折率補償樹脂２２は、シリコーン樹脂、例えばポリアルキル系シロキサンを主成分とする二液混合型樹脂等を用いることができる。
【００５８】
（実施形態２）
図９において、本発明に係る別のアレイ導波路回折格子型光合分波器の概略図を示す。本実施形態におけるアレイ導波路回折格子型光合分波器は、シリコン基板１１上に石英系導波路で構成され、石英系導波路は、入力ポート１２に接続される少なくとも１本以上の入力チャネル導波路１３と、入力チャネル導波路１３に接続される入力スラブ導波路１４と、入力スラブ導波路１４に接続される複数のチャネル導波路からなるアレイ導波路１５と、アレイ導波路１５に接続される出力スラブ導波路１６と、出力スラブ導波路１６に接続される少なくとも１本以上の出力チャネル導波路１７と、アレイ導波路１５のクラッド及びコアの一部を除去して形成される溝２１と、溝２１を覆う加圧室３２、加圧室３２に通じる中空部を有するシリンダ３１、及びシリンダ３１内に配置され、加圧室３２を加圧するピストン３３を有する加圧機構３０と、温度変化に応じてピストン３３に荷重を与え、ピストン３３を往復運動させるピストン駆動機構４０と、溝２１と加圧室３２とシリンダ３１の中空部に充填される屈折率補償樹脂２２と、を備える。図２におけるアレイ導波路回折格子型光合分波器と図９におけるアレイ導波路回折格子型光合分波器との違いは、溝２１が入力スラブ導波路１４又は出力スラブ導波路１６ではなく、アレイ導波路１５に配置されていることである。
【００５９】
溝２１は、図９におけるアレイ導波路回折格子型光合分波器のアレイ導波路１５を横切るようにクラッド及びコアの一部を除去して形成される。溝２１の数は限定されない。溝２１はアレイ導波路１５の最も光路長の短いチャネル導波路で溝２１幅が狭くなるよう、最も光路長の長いチャネル導波路で溝２１幅が広くなる形状である。溝２１には、屈折率補償樹脂２２が挿入される。加圧機構３０及びピストン駆動機構４０の構成及び動作については、実施形態１と同様となるので省略する。
【００６０】
（実施形態３）
加圧機構３０の具体例について示す。本発明を適用したアレイ導波路回折格子型光合分波器として、シリコン基板上にＳｉＯ２を主成分として石英に極めて近い屈折率の温度依存性を示すガラスから成る石英系光導波路回路を火炎直接堆積法及びドライエッチング法にて形成した。
【００６１】
本実施形態におけるアレイ導波路回折格子型光合分波器の仕様は、１．５５μｍ帯、帯域幅１００ＧＨｚ、チャネル数３２ｃｈである。図１０に示すように、このアレイ導波路回折格子型光合分波器の入力スラブ導波路１４中に、円弧状の溝２１をドライエッチング法で形成した。
【００６２】
加圧機構３０の製作工程を説明する。パイレックス（登録商標）ガラスから成る加圧室３２及び摺動ガイド３４、内径１２６μｍ、外径０．９９ｍｍの光ファイバ接続用ガラスキャピラリから成るシリンダ３１を接着して組み立て、溝２１上に接着固定した。なお、接着にＵＶ硬化樹脂を用いた。
【００６３】
次に、摺動ガイド３４に屈折率補償樹脂２２を滴下し、真空吸引法にて加圧室３２内に屈折率補償樹脂２２を注入する。ここで用いた屈折率補償樹脂２２はシリコーン樹脂、例えば、従来から屈折率補償樹脂２２として使用されているポリアルキル系シロキサンを主成分とする二液混合型樹脂である。
【００６４】
摺動ガイド３４上に余った屈折率補償樹脂２２を拭き取った後、屈折率補償樹脂２２を１２０℃で硬化させる。この時、加圧する面となる端面を垂直に劈開した光ファイバを、ピストン３３としてシリンダ３１に挿入し、室温まで冷却する。
【００６５】
シリコーン樹脂は硬化してもチキソトロピック特性を持つため、加圧すると流動化し、液体状態と同様の応力分布の無い一様な屈折率の変化が発生する。また、硬化させない場合は分子量が小さく、ピストン３３とシリンダ３１の隙間から漏洩する。硬化によって分子は長大鎖状となり漏洩は無くなる。
【００６６】
図１０に示すように、光ファイバからなるピストン３３の加圧室３２と反対側の端部を反射減衰量測定装置に接続し、ピストン３３の加圧室３２と接している側に位置する屈折率補償樹脂２２の反射減衰量の測定を行う。光ファイバの屈折率及び測定された反射減衰量から、加圧状態における屈折率補償樹脂２２の屈折率を算出することができる。上記のように、光ファイバをピストン３３とすることにより、屈折率補償樹脂２２の屈折率を容易に測定することができる。
【００６７】
図１１に、室温２５℃における、ピストン３３に加える荷重及び屈折率補償樹脂２２の屈折率との関係をまとめた結果を示す。図１１において、上横軸は光ファイバからなるピストン３３に加えた荷重、下横軸はそれを圧力に換算したものである。荷重に応じて屈折率補償樹脂２２の屈折率は線形に増加する傾向が示されている。
【００６８】
図１２及び図１３は、同じく室温で測定したアレイ導波路回折格子型光合分波器の透過中心波長の荷重に対する変化である。図１２に示すように、透過中心波長は、荷重ゼロから荷重２０ｇｆまで荷重を変化させると、０．２３ｎｍ増加した。この波長は図１３に示すように、単純に長波側へシフトしており、損失増や波形の歪みは発生しなかった。従来技術における波長シフト幅は−４０℃〜９０℃において０．０８ｎｍであるが、図１２において、本発明の構成では８ｇｆの荷重を加えることで透過中心波長のシフト幅を低減できる可能性が得られた。
【００６９】
ここで、図１４を参照してピストン駆動機構４０におけるバイメタルの動作を説明する。ピストン３３の初期位置をＸ０（Ｔ）とすると、補償樹脂の熱膨張収縮が線形であることから、以下の数式２５が導かれる。
【００７０】
【数２５】
2010107667.tif 000027
上式において、Ａ０：無荷重時のピストン３３の変位温度係数、Ｂ０：Ｔ＝Ｔ０における無荷重時のピストン３３の位置である。また、ピストン３３のＸ軸方向に加えられる荷重Ｆによるピストン３３の変位ΔＸも線形であるため、以下の数式２６で表される。
【００７１】
【数２６】
2010107667.tif 000028
上式において、Ａ３：ピストン３３荷重変位係数である。
【００７２】
ここで、初期状態のバイメタルのヤング率をＥ、厚みｔ、幅ｂ、湾曲係数Ｋとして、ピストン３３と接触する部位のＸ軸方向の位置をＸｂ（Ｔ）とすると、以下の数式２７で表される。
【数２７】
2010107667.tif 000029
ただし、Ａ１＝ＫＬ２／ｔである。
上式において、Ａ１：バイメタル変位温度係数、Ｂ１：無負荷時のバイメタルの位置である。一方、バイメタルが発する荷重Ｆによる変位ΔＸｍは、以下の数式２８で表される。
【００７３】
【数２８】
2010107667.tif 000030
ただし、Ａ２＝Ｅｂｔ３／４Ｌ３である。
上式において、Ａ２：はバイメタル荷重変位係数である。また、荷重が加えられた時のバイメタルの位置及びピストンの位置をＸｐ（Ｔ）として、ΔＸ、ΔＸｍは以下の数式２９及び数式３０で表される。
【００７４】
【数２９】
2010107667.tif 000031
【数３０】
2010107667.tif 000032
力の釣り合いから、以下の数式３１が導かれる。
【数３１】
2010107667.tif 000033
【００７５】
数式２５から数式３１より、ピストン３３の位置Ｘｐ（Ｔ）、すなわち荷重が発生した時のバイメタルの位置は、以下の数式３２で表される。
【数３２】
2010107667.tif 000034
【００７６】
また、ピストン３３に加えられる荷重Ｆは、以下の数式３３で表される。
【数３３】
2010107667.tif 000035
【００７７】
中心温度Ｔ０における荷重Ｆ０、すなわち屈折率補償樹脂２２の屈折率のかさ上げ分Δｎｐを発生させるための荷重は、上式においてＴ＝Ｔ０として、以下の数式３４で表される。
【数３４】
2010107667.tif 000036
【００７８】
ここで、屈折率補償樹脂２２の加圧微調による屈折率変化分ΔＮａｈ，ｌ’は、直接には温度によらず、温度変化に応じて変化する荷重Ｆにのみ依存すると仮定する。すなわち、荷重Ｆによる屈折率変化は図１１より線形と仮定でき、屈折率圧力係数をβとして、以下の数式３５で表される。
【数３５】
2010107667.tif 000037
数式１６、数式１７、数式３３、数式３５より、荷重を加えたことによる屈折率補償直線の係数Ｃｈ，ｌ、および屈折率のかさ上げ分Δｎｐは、それぞれ、以下の数式３６及び数式３７で表される。
【００７９】
【数３６】
2010107667.tif 000038
【数３７】
2010107667.tif 000039
【００８０】
数式３６及び図８により、中心温度Ｔ０から高温側ではＡ０＜Ａ１、低温側ではＡ０＞Ａ１である必要がある。これを満足するにはＡ１＝ＫＬ２／ｔであることから、バイメタル有効長Ｌは、アレイ導波路回折格子型光合分波器の使用環境が高温の場合は長く、低温の場合は短く設定できればよい。
【００８１】
本発明において、これを実現するために、図１５に示すように、ヤング率Ｅ、厚みｔ、幅ｂ、湾曲係数Ｋが等しく、長さＬｈの長いバイメタル４１及び長さＬｈ−Ｌ１の短いバイメタル４２を用いて、高膨張側が接する構成とした。この構成により、高温側では有効長Ｌｈ、低温側では有効長Ｌ１のバイメタルとして働くことになる。長さＬｈ、Ｌｈ−Ｌ１は、数式１６、数式１７、Ａ１＝ＫＬ２／ｔ、数式３６及び数式３７から算出される。
【００８２】
図１６において、温度とピストン３３の位置Ｘｐ（Ｔ）の関係を示す。無負荷時は、図１６において、Ｘ０（Ｔ）直線で変位する。加圧時は、Ｔ０を中心にＸｐ（Ｔ）直線の低温側からＸｐ（Ｔ）直線の高温側へ、傾きを屈曲させる直線となる。すなわち、本実施形態におけるピストン駆動機構４０に用いられる異なる長さのバイメタルは、使用環境の温度に応じた屈曲が得ることができるため、屈折率補償樹脂２２の屈折率の温度変化による屈折率補償機能の他に、屈折率補償樹脂２２の加圧量を温度に合わせて制御し、圧力に応じた屈折率変化による補償機能を得ることができる。
【００８３】
図１７に、温度範囲−４０℃〜９０℃、中心温度２５℃、波長間隔１００ＧＨｚ、チャネル数３２ｃｈのアレイ導波路回折格子型光合分波器のＣＨ０１、ＣＨ１７及びＣＨ３２の透過中心波長のシフト量の温度依存性を測定した結果を示す。動作温度２５℃におけるバイメタルが発生させた荷重値は７ｇｆである。透過中心波長のシフト量は、図８下図と同様にＷ型の依存性を示し、シフト幅は−４０℃〜８５℃において０．０３ｎｍである。この値は従来技術におけるシフト幅の半分以下の値であり、前述した要求値であるシフト幅０．０４ｎｍ以下を満たすものである。
【００８４】
なお、本実施形態は溝２１や屈折率補償樹脂２２の加圧機構３０を入力スラブ導波路１４に設置した例であるが、アレイ導波路１５に設置した例でも同様であった。
【００８５】
以上述べたように、本発明によれば、以下のような効果が期待できる。まず、第一に、従来例では−４０℃〜９０℃の温度範囲において波長シフト幅が０．０８ｎｍであり、波長間隔１００ＧＨｚが限界であったのに対して、本発明ではその半分以下の０．０３ｎｍとなり、波長間隔５０ＧＨｚが可能となる。そして、高性能化に附随して直面する挿入損失増の問題も全く観られない。この結果、ＣＨ数が倍となり、通信波長の２倍の高密度化が可能となる。よって、通信コストの低価格化に寄与することができる。
【００８６】
第二に、加圧機構におけるピストンはバイメタルによる直接駆動となっており、電源、複雑な制御機構等が不要である。これは、使用に際しての省エネルギー化及び低価格化を可能とすることができる。
【００８７】
以上のことから、本発明は省エネルギー、安価かつ高機能な通信用光デバイス開発に資するところは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
以上、光合波器と光分波器を例として本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器の形態を説明したが、本発明のアレイ導波路回折格子型光合分波器は、複数の入力、複数の出力ポートを持つ光合分波器であって、入力ポートと出力ポート間で波長ルーティング機能を有する波長ルータにも適用できる。
【００８９】
さらに、本発明に用いるアレイ導波路回折格子型光合分波器は、シリコン基板上に形成されたものに限定されるものではなく、石英ガラス、セラミック、半導体基板上に形成することができる。また、導波路の材料も石英系ガラスだけでなく、他の成分のガラスや半導体などの光学材料で導波路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】従来のアレイ導波路回折格子型光合分波器の構成である。
【図２】本発明におけるアレイ導波路回折格子型光合分波器の構成である。
【図３】本発明に係る加圧機構の動作を示す図である。
【図４】石英の屈折率についての温度依存性を示す図である。
【図５】導波路の実効屈折率とその直線近似の差の温度依存性を示す図である。
【図６】ポリアルキル系シロキサンを主成分とする補償樹脂の屈折率の温度依存性を示す図である。
【図７】−４０℃〜９０℃における波長間隔１００ＧＨｚ、チャネル数３２ｃｈの１．５５μｍ帯アレイ導波路回折格子型光合分波器の中心波長の変化を示す図である。
【図８】本発明の動作原理を示す図である。
【図９】本発明におけるアレイ導波路回折格子型光合分波器の構成である。
【図１０】光ファイバを用いたピストン３３及び反射減衰量測定装置の接続図である。
【図１１】室温２５℃で測定した荷重と屈折率補償樹脂の屈折率の変化の図である。
【図１２】一定室温で測定したアレイ導波路回折格子型光合分波器の透過中心波長の荷重に対する変化の図である。
【図１３】一定温度で測定したアレイ導波路回折格子型光合分波器の透過波形の荷重に対する変化の図である。
【図１４】本発明におけるピストン駆動機構の構成である。
【図１５】長さの異なる二つのバイメタルの動作を示す図である。
【図１６】温度とピストンの位置の関係を示す図である。
【図１７】温度範囲−４０℃〜９０℃、中心温度２５℃、波長間隔１００ＧＨｚ、チャネル数３２ｃｈのアレイ導波路回折格子型光合分波器のＣＨ０１、ＣＨ１７及びＣＨ３２における、透過中心波長のシフト幅の温度依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１１：シリコン基板
１２：入力ポート
１３：入力チャネル導波路
１４：入力スラブ導波路
１５：アレイ導波路
１６：出力スラブ導波路
１７：出力チャネル導波路
１８−１〜６４：出力ポート
２１：溝
２２：屈折率補償樹脂
３０：加圧機構
３１：シリンダ
３２：加圧室
３３：ピストン
３４：摺動ガイド
３５：ピストンヘッド
４０：ピストン駆動機構
４１：長いバイメタル
４２：短いバイメタル
【図１】
2010107667.tif 000040
【図２】
2010107667.tif 000041
【図３】
2010107667.tif 000042
【図４】
2010107667.tif 000043
【図５】
2010107667.tif 000044
【図６】
2010107667.tif 000045
【図７】
2010107667.tif 000046
【図８】
2010107667.tif 000047
【図９】
2010107667.tif 000048
【図１０】
2010107667.tif 000049
【図１１】
2010107667.tif 000050
【図１２】
2010107667.tif 000051
【図１３】
2010107667.tif 000052
【図１４】
2010107667.tif 000053
【図１５】
2010107667.tif 000054
【図１６】
2010107667.tif 000055
【図１７】
2010107667.tif 000056