(57)【要約】【課題】従来技術のＡＷＧ型光フィルタでは、熱光学効果を用いて新しい能動的な機能を付与できるが、熱光学効果に特有の応答速度の遅さが問題であった。Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路のコアは、グレーテッド型屈折率分布であって大きな屈折率変化を与えられないので、損失を避けるために導波路の曲げ半径を比較的大きくせざるを得ない。各光回路部分をコンパクトにまとめ、高密度に集積することが難しく素子小型化に制限があった。【解決手段】本発明では、各導波路を単一の基板上に形成する。ＡＷＧ型光フィルタで使用されるＬＮ光導波路をＴｉ拡散法により作製した。さらに、リッジ型導波路構造を採用したことによって、Ｔｉ拡散法だけによる導波路に比べて、水平方向の光の閉じ込めを改善し、曲げ半径をより小さくすることができる。また、直接接合法によって導波路を作製することで、フィルタ特性などの光回路のＤＣドリフトを抑え、フィードバック処理のための機構・回路を省略することが可能となる。【選択図】図４
2014228640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力導波路、入力側スラブ導波路、異なる長さを有する複数のチャンネル導波路を含むアレイ導波路、出力側スラブ導波路および出力導波路が同一の基板上に形成され、
前記各導波路は、高屈折率の電気光学材料からなるコア部、および、前記高屈折率材料に比べて低い屈折率を有する誘電体材料からなるクラッド部から構成され、
前記異なる長さを複数のチャンネル導波路の各々の上に、前記チャンネル導波路のコア部の屈折率を変化させ、前記アレイ導波路を伝播する光の光位相を制御する、各々が前記チャンネル導波路の各々の前記異なる長さに対応した長さを有している複数の電極が形成されていること
を特徴とするアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）型光フィルタ。
【請求項２】
前記複数の電極は、光バッファ層を介して前記複数のチャンネル導波路の前記コアの上部に構成された第１の複数の電極と、各々が、前記光バッファ層を介して前記クラッド上部に構成され前記第１の複数電極の隣接する２つの間に構成された第２の複数の電極とから構成され、    
前記第１の複数の電極と前記第２の複数の電極との間に、電気光学効果を生じさせる電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載のＡＷＧ型光フィルタ。
【請求項３】
入力信号光に、波長の異なる複数の基準光を合波する手段と、
前記複数の基準光を分波し出力する分波手段と、
前記分波手段からの前記複数の基準光の各出力光パワーを波長ごとに検出し、前記各出力光パワーの変動に応じて前記複数の電極に印加する前記電圧を制御して、フィルタ特性のパラメータ変動を抑制するフィードバック機構と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のＡＷＧ型光フィルタ。
【請求項４】
前記チャンネル導波路は、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３結晶導波路であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のＡＷＧ型光フィルタ。
【請求項５】
前記チャンネル導波路は、リッジ型の結晶導波路であることを特徴とする請求項４に記載のＡＷＧ型光フィルタ。
【請求項６】
前記チャンネル導波路は、前記クラッドを形成するための第１の材料と、前記コアを形成するための第２の材料とを直接接合して得られるＬｉＮｂＯ３結晶導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載のＡＷＧ型光フィルタ。
【請求項７】
前記チャンネル導波路のＬｉＮｂＯ３結晶は、ＺｎＯを添加したＬｉＮｂＯ３(ＬＮ)結晶であることを特徴とする請求項６に記載のＡＷＧ型光フィルタ。
【請求項８】
前記チャンネル光導波路の低屈折率の誘電体材料は、ＭｇＯを添加したＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）結晶もしくはＬｉＴａＯ３（ＬＴ）結晶、水晶または非晶質材料であることを特徴とする請求項６に記載のＡＷＧ型光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、波長多重通信に用いられる光フィルタに関する。より詳細には、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を含むＡＷＧ型光フィルタに関する。
【０００２】
近年、光通信においてその伝送容量を飛躍的に増加させる方法として、光周波数多重通信の研究開発が盛んに行われている。光通信の伝送容量を増加するためには、狭い波長間隔で配置された複数の光信号を、合分波することのできる装置が必要である。アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed-Waveguide Grating）は、波長間隔の小さな複数の光の合分波が可能であって、分解能が良く、しかも回折効率も高いものの一例として知られている。非特許文献１および特許文献１には、ＡＷＧを用いた光フィルタの従来技術が開示されている。以下、簡単に従来技術のＡＷＧ型光フィルタを光周波数合分波器として用いた一例を説明する。
【０００３】
図１は、従来技術のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）型光フィルタの構成を示す図である。ＡＷＧ型光フィルタの複数の入力導波路２の１つには、送信側の光ファイバが接続され、周波数多重光が入射される。入力側スラブ導波路３において回折効果により広がった入射光は、アレイ導波路回折格子を構成する複数のチャンネル導波路（アレイ導波路）４に入り伝搬し、出力側スラブ導波路５に達する。広がった光は、出力側スラブ導波路５において再び集光され、複数の出力導波路６のうちの１本に出力される。
【０００４】
ＡＷＧにおいては、アレイ導波路回折格子を構成する複数のチャンネル導波路４の各々の長さが異なるため、チャンネル導波路４を伝搬した後の個々の光の位相にずれが生じる。この各チャンネル導波路間の位相のずれ量に応じて、チャンネル導波路を伝播する集束光の波面が傾く。この傾き角度によって出力側スラブ導波路５の端面に集光する位置が決まるが、光の位相ずれ量は光周波数に依存する。波長多重通信光に含まれる各光信号は、光周波数が異なることから、光周波数別に出力側スラブ導波路５の端面における集光位置が決まることになる。各光周波数に対応した位置に出力導波路６をおけば、光周波数別に信号光を取り出すことができる。
【０００５】
ＡＷＧ型光フィルタにおけるアレイ導波路回折格子による光合分波の特徴は、その光周波数分解能が、隣接するチャンネル導波路同士の長さの差ΔＬに比例することである。即ち、導波路長差ΔＬを大きく設計することによって、前述の位相のずれ量が大きくなって、それまでの回折格子などでは実現できなかった光周波数間隔の狭い多重光の合分波が可能となる。ＡＷＧ型光フィルタでは、入出力系の光回路、集光系の光回路および回折格子など全ての機能を、光導波路を用いて一括して基板１上に作製することができる。したがって、個別のレンズや回折格子の光学素子を組み立てるバルク型光フィルタと比較して、量産性および特性の安定性に優れ、コストの低さなどの点において有利である。
【０００６】
上述の従来技術によるＡＷＧ型光フィルタは、アレイ導波路回折格子による完全に受動的な光波長合分波機能しか有していない。しかし、この光波長合分波機能に、さらに光周波数選択機能や透過波長幅可変機能を付加することができれば、ＡＷＧ型光フィルタの適用範囲を広げることが期待できる。
【０００７】
このようなＡＷＧ型光フィルタの機能範囲拡大の例として、熱光学効果を用いて光周波数選択機能や透過波長幅可変機能を付加する技術が提案されている。非特許文献１では、ポリマーを用いたアレイ導波路格子において、ポリマーの大きい熱光学効果を利用してＡＷＧ型光フィルタ全体の温度を変化させることによって、透過波長を９ｎｍの範囲で可変している。
【０００８】
図２は、熱光学効果を利用した従来技術のＡＷＧ型光フィルタの構成を示す図である。図１に示したＡＷＧ型光フィルタと同様に、石英導波路を用いた、入力導波路２、入力側スラブ導波路３、複数のアレイ導波路（チャンネル導波路）４、出力側スラブ導波路５および出力導波路６を備えている。非特許文献２に開示された光フィルタでは、図２に示すように、アレイ導波路格子による光フィルタの可変透過域を広げるため、熱光学効果を生じさせるヒータ線７をアレイ導波路４と同じ間隔で配置する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平２−２４４１０５号公報
【特許文献２】特許第３０５３２９４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】“Arrayed-waveguide grating for wavelength division multi／demultiplexer with nanometer resolution ”；Electronics Letters, vol.26,pp.87-88， 1990
【非特許文献２】S. Toyoda et al.， “Polarization−independent low crosstalk polymeric AWG−based tunable filter”， Proc.ECOC'98， Madrid, vol.3， p.101. 1998）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来技術のＡＷＧ型光フィルタでは、何れも熱光学効果を用いることで新しい能動的な機能を付与することを可能としているが、熱光学効果に特有の応答速度の遅さが問題であった。温度可変機構によってアレイ導波路およびその周辺回路の温度分布が所望の分布に安定するのには時間がかかる。また、導波路を構成する材料に用いられる誘電体に温度変化を与えるため、１Ｗを越える駆動電力が必要であることも問題であった。温度を可変した後で一定温度の状態を保持するためには、継続して熱を加え続ける必要があるため、保持する時間に応じて消費電力が増大する。さらには、熱光学効果を付与するヒータの幅がアレイ導波路の間隔以上には広げられないことから、ヒータの抵抗値は大きくなる。抵抗値の大きいヒータ回路を所定の電力Ｐで駆動するためには、Ｐ＝Ｖ２/Ｒの関係から、より大きな電圧を加える必要がある。駆動回路の低駆動電圧化が困難なため、素子サイズの小型化および低消費電力化を同時に実現することが困難であった。
【００１２】
図３は、従来技術の熱光学効果および電気光学効果を利用した別のＡＷＧ型光フィルタの構成を示す図である。特許文献２に記載された図３の発明では、ＡＷＧ型光フィルタの機能範囲拡大のために、熱光学効果に加えて、応答速度および低駆動電圧の観点から電気光学効果を利用したＡＷＧ型光フィルタも提案されている。電気光学効果を用いることによって、熱光学効果を利用した場合に問題となっていた電極幅を狭くすることによる抵抗値の増大の影響を避けることができる。しかしながら、特許文献２で提案されている電気光学効果を利用したＡＷＧ型光フィルタでは、アレイ導波路部１０にのみ、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路を含む基板９を用いている。基板９は、他の入力側スラブ導波路３、出力側スラブ導波路５などを石英製光導波路で構成した基板１ａ、１ｂとそれぞれ接続され、２つの基板１ａ、１ｂが基板９を挟み込む構造となっている。そのため、ＬＮ導波路１０と石英導波路４とを接続するときの損失や、アレイ導波路同士を接続するための煩雑な作業による作製コストの上昇が課題となっている。
【００１３】
また、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路のコアは、屈折率が徐々に変化するグレーデッド型の屈折率分布を持ち、コアおよびクラッドの間で大きな屈折率変化を与えることが困難である。したがって、損失を避けるためには、導波路の曲げ半径を比較的大きくせざるを得えない。このため、各光回路部分をコンパクトにまとめて、高密度な導波路パターンによって集積することが難しく、素子全体を小型化のには制限があった。
【００１４】
さらに現在一般に市販されているＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３導波路は、ＬＮ基板表面にＴｉを熱拡散することで屈折率を上昇させて、導波路構造が与えられるよう作製される。このように作製されたＴｉ拡散ＬＮ導波路を使用した場合、導波路の作製工程における熱拡散の際に、結晶欠陥が生じる。この結晶欠陥に起因して、光損傷の発生のために入力パワーが制限されてしまう問題や、例えば電気光学位相シフタを例にすると、位相シフタの諸特性についてＤＣドリフトを引き起こしてしまう問題があった。
【００１５】
ＤＣドリフトは、Ｔｉ拡散ＬＮ結晶における光損傷の原因となる光照射による結晶内で発生した電荷が、外部直流電界の印加により電極方向に移動することにより結晶内部の印加電界が減少してしまい、最終的に屈折率までが変化してしまう現象として知られている。ＤＣドリフトが発生する結果、例えば、光フィルタとして透過帯域の中心光周波数が変化してしまう。
【００１６】
そのためＴｉ拡散ＬＮ導波路を使用した電気光学位相シフタを備えたＡＷＧ型光フィルタでは、ＤＣドリフト現象による光回路特性の変動を補償する機構を設けなければ、実用上使用することが極めて難しかった。上述の光回路特性の変動を補償するためには、緩やかなドリフトの量をモニターし、位相シフタへフィードバックする追加的な機能が必要であった。
【００１７】
本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ＡＷＧ型光フィルタの機能範囲を拡大するために必要とされる、光周波数選択機能および透過波長幅可変機能などを速い応答速度で実現し、小型で低損失であって、かつ低消費電力で安定して制御することが可能な光フィルタを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１の発明は、入力導波路、入力側スラブ導波路、異なる長さを有する複数のチャンネル導波路を含むアレイ導波路、出力側スラブ導波路および出力導波路が同一の基板上に形成され、前記各導波路は、高屈折率の電気光学材料からなるコア部、および、前記高屈折率材料に比べて低い屈折率を有する誘電体材料からなるクラッド部から構成され、前記異なる長さを複数のチャンネル導波路の各々の上に、前記チャンネル導波路のコア部の屈折率を変化させ、前記アレイ導波路を伝播する光の光位相を制御する、各々が前記チャンネル導波路の各々の前記異なる長さに対応した長さを有している複数の電極が形成されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）型光フィルタである。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１のＡＷＧ型光フィルタであって、前記複数の電極は、光バッファ層を介して前記複数のチャンネル導波路の前記コアの上部に構成された第１の複数の電極と、各々が、前記光バッファ層を介して前記クラッド上部に構成され前記第１の複数電極の隣接する２つの間に構成された第２の複数の電極とから構成され、前記第１の複数の電極と前記第２の複数の電極との間に、電気光学効果を生じさせる電圧を印加されることを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１のＡＷＧ型光フィルタであって、入力信号光に、波長の異なる複数の基準光を合波する手段と、前記複数の基準光を分波し出力する分波手段と、前記分波手段からの前記複数の基準光の各出力光パワーを波長ごとに検出し、前記各出力光パワーの変動に応じて前記複数の電極に印加する前記電圧を制御して、フィルタ特性のパラメータ変動を抑制するフィードバック機構とをさらに備えたことを特徴とする。  
請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかのＡＷＧ型光フィルタであって、前記チャンネル導波路は、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３結晶導波路であることを特徴とする。  
請求項５の発明は、請求項４のＡＷＧ型光フィルタであって、前記チャンネル導波路は、リッジ型の結晶導波路であることを特徴とする。  
請求項６の発明は、請求項１または２のＡＷＧ型光フィルタであって、前記チャンネル導波路は、前記クラッドを形成するための第１の材料と、前記コアを形成するための第２の材料とを直接接合して得られるＬｉＮｂＯ３結晶導波路であることを特徴とする。  
請求項７の発明は、請求項６のＡＷＧ型光フィルタであって、前記チャンネル導波路のＬｉＮｂＯ３結晶は、ＺｎＯを添加したＬｉＮｂＯ３(ＬＮ)結晶であることを特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項６のＡＷＧ型光フィルタであって、前記チャンネル光導波路の低屈折率の誘電体材料は、ＭｇＯを添加したＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）結晶もしくはＬｉＴａＯ３（ＬＴ）結晶、水晶または非晶質材料であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明により、光損傷による入力パワー制限やＤＣドリフトによる光回路特性の変動が少なく、さらに、諸特性値の可変幅が広く、応答速度の速い光フィルタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、従来技術のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）型光フィルタの構成を示す図である。
【図２】図２は、従来技術の熱光学効果を利用したＡＷＧ型光フィルタの構成を示す図である。
【図３】図３は、従来技術の熱光学効果および電気光学効果を利用した別のＡＷＧ型光フィルタの構成を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施例１の光周波数選択が可能なＡＷＧ型光フィルタの構成を示す図である。
【図５】図５は、実施例１のＡＷＧ型光フィルタの電気光学位相シフタ近傍のアレイ導波路の断面構成を示す図である。
【図６】図６は、実施例２のＡＷＧ型光フィルタの電気光学位相シフタ近傍のアレイ導波路の断面構成を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施例３の光周波数選択が可能なＡＷＧ型光フィルタの構成を示す図である。
【図８】図８は、実施例３のＡＷＧ型光フィルタの電気光学位相シフタ近傍のアレイ導波路の断面構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、ＡＷＧ型フィルタの各導波路を、単一の基板上に作製し、各導波路は、高屈折率の電気光学材料からなるコア部、および、高屈折率材料に比べて低い屈折率を有する誘電体材料からなるクラッド部から構成される。電気光学効果を生じさせる複数の電極をアレイ導波路上に形成し、高速にアレイ導波路を伝播する光の光位相を制御して、ＡＷＧ型光フィルタの機能範囲を拡大するために必要とされる、光周波数選択機能および透過波長幅可変機能などを速い応答速度で実現する。
【００２５】
アレイ導波路のチャンネル導波路は、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３結晶導波路とすることが可能であり、リッジ型の構成を採るのが好ましい。さらに、アレイ導波路のチャンネル導波路を、クラッドを形成するための第１の材料と、コアを形成するための第２の材料とを直接接合して作製することで、光特性の補償用フィードバック機構を省略することもできる。
【００２６】
典型的には、本発明は、入力導波路、入力側スラブ導波路、異なる長さを有する複数のチャンネル導波路を含むアレイ導波路、出力側スラブ導波路および出力導波路が同一の基板上に形成され、前記各導波路は、高屈折率の電気光学材料からなるコア部、および、前記高屈折率材料に比べて低い屈折率を有する誘電体材料からなるクラッド部から構成される。さらに、前記異なる長さを複数のチャンネル導波路の各々の上に、前記チャンネル導波路のコア部の屈折率を変化させ、前記アレイ導波路を伝播する光の光位相を制御する、各々が前記チャンネル導波路の各々の前記異なる長さに対応した長さを有している複数の電極が形成されていることを特徴とするアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）型光フィルタとして実現できる。
【００２７】
本発明の実施の形態を、図を用いながら説明するが、以下の実施例は例示的なものであって、必ずしもこれらの構成に限定されない。
【実施例１】
【００２８】
図４は、本発明の実施例１の電気光学効果を用いたＡＷＧ型光フィルタの構成を示す図である。ＡＷＧ型光フィルタ１００は、光フィルタ基板部１２０と、安定化光源およびフィードバック機構を含む周辺回路部とから構成される。光フィルタ基板部１２０は、従来技術と同様に入力導波路、入力側スラブ導波路１０４、複数のアレイ導波路（チャンネル導波路）１０５、出力側スラブ導波路１０６、出力導波路を含んでいる。光フィルタ基板部１２０は、さらに電気光学位相シフタを備えるとともに、本発明に特有の電気光学位相シフタおよび導波路の構成を持っている。
【００２９】
図５は、実施例１のＡＷＧ型光フィルタの電気光学位相シフタ近傍のアレイ導波路の断面構成を示す図である。図５の（ａ）は基板の断面構造を示しており、図４のアレイ導波路１０５のＡ−Ａ´部分を切り取った断面を拡大して示している。図５の（ｂ）は各電極と電源との接続関係を示している。
本発明の電気光学効果を用いたＡＷＧ型光フィルタにおいては、別個の基板上に作製されたＬｉＮｂＯ３導波路と、石英製平面光回路とを接続する従来技術（図３）で提案されていた構成と異なり、単一のＬＮ基板上にＴｉ拡散法によって導波路を形成する。すなわち、入出力導波路、入力側スラブ導波路１０４、出力側スラブ導波路１０６、およびアレイ導波路（チャンネル導波路）１０５、さらに電気光学位相シフタ（電極）１０８を１つのＬＮ基板上に集積している点で図３の構成と異なっている。
【００３０】
図４および図５に示したようなＬｉＮｂＯ３光導波路および電気光学位相シフタ用電極１０８の製作は、以下の手順で行われる。図５を参照すると、最初に、ＺカットＬｉＮｂＯ３基板１２０の表面に、スパッタ法でＴｉ薄膜を付着させた。その後、リソグラフィおよびドライエッチング法によって導波路パターンを形成した。次に、導波路パターンの形状となったＴｉ薄膜から、１０５０度でＴｉを熱拡散することによってコアサイズが約９μｍ×９μｍの光導波路１０５をＬｉＮｂＯ３表面層に作製した。その後、導波路を形成した基板１２０の表面に、ＳｉＯ２光学バッファ層１２１をスパッタ法で作製した。さらに、蒸着法、フォトリソグラフィーおよびウェットエッチプロセスによって、Ａｕの電気光学位相シフタ電極１０８ａ、１０８ｂを作製した。
【００３１】
複数の電気光学位相シフタ電極１０８ａ、１０８ｂは、一方の複数の電極１０８ａが、バッファ層１２１を挟んで３次元のチャンネル導波路１０５の各々の上方に配置される。他方の複数の電極１０８ｂは、一方の複数の電極１０８ａの各々の間に、電極１０８ａと電極１０８ｂが交互に並ぶように形成される。一方の複数の電極１０８ａには相対的にプラスの電圧が、他方の複数の電極１０８ｂに相対的にマイナスの電圧が印加され、隣り合う２つの電極間に電圧によって電気光学効果が生じるように動作する。
【００３２】
したがって、本発明のＡＷＧ型光フィルタでは、複数の電極（位相シフタ電極）は、光バッファ層を介して複数のチャンネル導波路のコアの上部に構成された第１の複数の電極と、前記光バッファ層を介してクラッド上部に構成され、第１の複数電極の隣接する２つの間に構成された第２の複数の電極とから構成され、前記第１の複数の電極と前記第２の複数の電極との間に、電気光学効果を生じさせる電圧が印加されるよう構成されている。
【００３３】
尚、図４では、複数の電気光学位相シフタ電極１０８は、チャンネル導波路１０５上にある複数の電極１０８ａのみが簡略化して描かれており、隣接するチャンネル導波路の間にある複数の電極１０８ｂは、省略されている。また、図４においてチャネル導波路１０５は、描かれている数だけの導波路があるわけではなく、多数のチャネル導波路が存在していて、その一部の導波路のみが記載されている点に留意されたい。複数の位相シフタ電極の正確な構成および電源との接続方法は、図５の（ｂ）を参照されたい。すなわち、一方の複数の電極１０８ａの各々には、配線１２２によってプラスの電圧が印加され、他方の複数の電極１０８ｂの各々には、配線１２３によってマイナスの電圧が印加される。これによって、各チャネル導波路１０５において、基板面に垂直な方向の電界が与えられ、コアにおいて電気光学効果を生じさせる。
【００３４】
上述の手順で作製されたＴｉ拡散導波路のコアは、屈折率が徐々に変化するグレーデッド型である。さらに、コアおよびクラッドの間の比屈折率差が約０．１％程度であるため、曲げ部分での損失を回避するためアレイ導波路の曲率半径を４０ｍｍ以上とした。全体のサイズは４１００ｍｍ２である。本実施例におけるＡＷＧ型光フィルタは、複数のアレイ導波路１０５、入力側スラブ導波路１０４、出力側スラブ導波路１０６、位相シフタ１０８、入出力用導波路を単一のＬＮ基板上に全て集積しているため、従来技術のような接続損失が生じず、煩雑な接続工程も不要であって、選択する光周波数を可変することができる機能を簡単に実現することができる。
【００３５】
各光導波路回路の設計に当たっては、各スラブ導波路１０４、１０６の曲率半径、アレイ導波路１０５の導波路間のピッチ、アレイ導波路１０５を構成するチャンネル導波路の隣り合う導波路同士の光路長差、さらに入力導波路・出力導波路と各スラブ導波路との接続部分における接続位置の間隔などのパラメータを最適化する。本実施例では、波長多重間隔１０ＧＨｚの光フィルタを作製した。また電気光学位相シフタの電極１０８ａが各チャンネル導波路と重なる長さは、隣の導波路と重なる長さに比べてΔＬ＝２ｍｍだけ異なるようにした。
【００３６】
本実施例のＡＷＧ型光フィルタでは、電気光学位相シフタ（電極）１０８に駆動電圧を印加することによって、アレイ導波路のチャンネル導波路間の光路長差ΔＬを変化させることができる。これによって、ある光周波数の光について、出力側スラブ導波路１０６端部の出力導波路との境界部における集光位置を移動させることできる。すなわち、電気光学位相シフタによって、ある光周波数（波長）の光信号を出力する出力導波路を選択・切り替えることが可能となる。ある出力導波路に着目すれば、出力する光の光周波数（波長）を選択することができる。すなわち、本実施例のＡＷＧ型光フィルタでは、電気光学効果を利用することによって、従来技術の熱光学効果を利用した光フィルタに比べて格段に速く、光周波数の選択をすることが可能となる。
【００３７】
図４では、電気光学位相シフタの複数の電極１０８ａ、１０８ｂはアレイ導波路１０５の中央付近に、チャネル導波路に対する垂直軸に関して対称に配置されている。しかし、アレイ導波路のチャンネル導波路間の光路長差ΔＬを変化させることができる限り、図４の電極配置には限定されない。例えば、複数の電極１０８ａ、１０８ｂは、アレイ導波路１０５の湾曲部分上に配置されていても良い。また、アレイ導波路１０５も図４に示した形状に限定されず、光が伝播する際に損失が発生しない範囲で、フィルタを小型化するために湾曲させた形状であっても良い。
【００３８】
本実施例の電気光学位相シフタが構成される部分のＬｉＮｂＯ３導波路は、Ｔｉ拡散法によって作製したため、その拡散工程において生じる結晶欠陥に起因して、フィルタ特性の特性値（透過帯域の中心光周波数、透過帯域幅）がＤＣドリフトを示した。このＤＣドリフトに対応するために、図４に示したように、光フィルタ基板部１２０に加えて、安定化光源およびフィードバック機構などを含む周辺回路を備えている。
【００３９】
具体的には、光ファイバ１０１を伝播する入力ＷＤＭ信号１０２に、ＤＣドリフトを検出するための基準光として、光フィルタの透過特性の半値幅分の間隔だけ離れた異なる波長を有する２つ基準光１１５ａ、１１５ｂを、ＷＤＭカップラ１１４を用いて合波する。２つの基準光１１５ａ、１１５ｂは、安定化光源１０３から供給される。光フィルタ基板部１２０内に構成されたＡＷＧ型光フィルタを透過した後、２つの基準光１１５ａ、１１５ｂが隣接している１つの基準波長チャンネルの出力ポート１１３から、２つの基準光のパワーを検出器１１０によって検出する。
【００４０】
上述のように、２つの基準光１１５ａ、１１５ｂは、光フィルタの透過帯域の半値幅分だけ離れた光周波数（波長）位置にあるので、ＤＣドリフトによって、透過帯域の中心光周波数のずれが生じると、２つの基準光の内の一方のレベルが急速に変化する。したがって、２つの基準光の検出レベル変動を検出することによって、光周波数軸上でのＤＣドリフトの方向やその程度が認識できる。ＷＤＭカップラ１１４によって、入力信号および基準信号が分岐されて検出器１１０にフィードバック信号として与えられているので、パワー比較器１１１によって、入力ＷＤＭ光信号の分岐光のパワーと光フィルタ通過後の出力光のパワーとの比較を行うことができる。
【００４１】
基準光を使った、ＤＣドリフトの検出は、他の方法でも可能である。各波長でのパワーの＋−の組み合わせや周波数特性の微分値、微分値の比などを使って光周波数のシフトした方向、量をもとめることができる。また変化、すなわち微分値情報を取得するため、一回のフィードバック動作のために、短時間に数回光パワーを検出して比較することもできる。
【００４２】
パワー比較器１１１によってＤＣドリフトによる光フィルタ特性の光周波数（または波長）軸上の変動量を決定し、その変動を相殺することのできる電圧成分を、補償電圧計算器１１２によって求める。補償電圧計算器１１２からの制御信号によって、電圧駆動部１０９からの電圧を変化させて位相シフタ電極１０８に与える電圧値を調整できる。上述の比較および補償のための動作を、例えば１００ｓ間隔で行い、駆動電圧をフィードバック補償することによって、安定した光フィルタの透過特性を得ることができた。尚、上述のフィードバック補償の時間間隔は、フィードバック系回路の消費電力と発生するＤＣドリフトのスピードの兼ね合いによって、１００ｓ以外の他の値に設定できる。フィードバック系回路の消費電力の削減を無視すればフィードバック系の処理能力の最大周波数でフィードバックしても良い。
【００４３】
すなわち、本発明のＡＷＧ型光フィルタは、入力信号光に、波長の異なる複数の基準光を合波する手段と、前記複数の基準光を分波し出力する分波手段と、前記分波手段からの前記複数の基準光の各出力光パワーを波長ごとに検出し、前記各出力光パワーの変動に応じて前記複数の電極に印加する前記電圧を制御して、フィルタ特性のパラメータ変動を抑制するフィードバック機構とをさらに備えたものとして構成できる。
【００４４】
ここで、補償をするフィルタ特性のパラメータとしては、例えば、透過帯域の中心光周波数（波長）などがある。
【００４５】
上述の安定化光源１０３およびフィードバック機構などを含む周辺回路部の構成は、一例であって、他の様々な実装方法が可能である。例えば、２つの基準光の間隔は半値幅に限られない。また、ＤＣドリフトのない状態で、２つの基準光を必ずしも透過特性の対称位置（フィルタの肩の位置）に設定しなくても良い。さらに、ドリフトの程度が少なければ、透過特性のフィルタ傾斜部のいずれか一方に１つの基準光を配置しても良い。また、入力信号の分岐光を使って出力光との比較をせずに、出力光の２つの基準光のレベル差だけで、電圧駆動部１０９へフィードバックをしても良い。
【００４６】
また、例えば、安定化光源１０３から２つの波長の光を一定間隔ごとに交互に入射し、１つの検出器１１０で検出した光パワーを安定化光源１０３の入射タイミングと同期してパワー比較器１１１を用いて比較すれば、２つの基準信号の各波長でのパワー変化をとらえることができる。このときは、同期に必要な入射波長の切り替え情報をパワー比較器１１１に送り込む必要がある。また、検出器１１０を２つ設けて、検出器１１０からの２入力をパワー比較器１１１で比較することもできる。補償電圧計算器１１２は、ハードウェアのみによっても、またはＣＰＵを含むソフトウェア処理によっても実現できる。したがって、フィードバック機構は、基準信号のレベルを検出して、電圧駆動部１０９からの印加電圧を調整することができれば、どのようなものであっても良い。
【００４７】
また、本実施例のＡＷＧ型光フィルタでは、アレイ導波路の両端にスラブ導波路を備えた透過型のフィルタ構成を例に説明したが、例えばアレイ導波路の中間点にミラーなどの反射手段を設置した反射型のアレイ導波路光子の場合にも適用可能なこと言うまでもない。したがって、本発明は、入力導波路、スラブ導波路、異なる長さを有する複数のチャンネル導波路を含むアレイ導波路が単一の基板上に形成され、さらにアレイ導波路の一端に反射手段を設けられている、前記各導波路は、高屈折率の電気光学材料からなるコア部、および、前記高屈折率材料に比べて低い屈折率を有する誘電体材料からなるクラッド部から構成され、前記異なる長さを複数のチャンネル導波路の各々の上に、前記チャンネル導波路のコア部の屈折率を変化させ、前記アレイ導波路を伝播する光の光位相を制御する、各々が前記チャンネル導波路の各々の前記異なる長さに対応した長さを有している複数の電極が形成されていることアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）型光フィルタとしても実施できる。
【００４８】
本実施例のＡＷＧ型光フィルタでは、電気光学効果を用いた位相変調を利用しているため、熱光学効果を利用していた従来技術のＡＷＧ型光フィルタに比べ、格段に速い１.２μｓｅｃ 以下の時間で透過光周波数の選択が可能であった。また、透過光周波数を選択した後でも、フィードバック機能により安定したフィルタ特性を維持することができた。
【実施例２】
【００４９】
実施例１ではＡＷＧ型光フィルタで使用したＬＮ光導波路をＴｉ拡散法により作製した。Ｔｉ拡散法は作製が簡便である一方で、形成されるコアには明確な屈折率差を与えることができない。また、屈折率変化量が大きくないため曲げ角度に制限があるために高密度に導波路構造を集積できない。すなわちアレイ導波路の間隔を狭くすることができない、また、曲げ半径を小さくすることもできないので、光回路の全体サイズが大きくなってしまう。そこで本実施例のＡＷＧ型光フィルタでは、Ｔｉ拡散法により作製したＬＮ導波路に対して、さらにドライエッチプロセスなどを使用してリッジ型導波路形状を付与した。
【００５０】
図６は、実施例２のＡＷＧ型光フィルタの電気光学位相シフタ近傍のアレイ導波路の断面構成を示す図である。本実施例の構成は、同一のＬＮ基板上にＡＷＧ型光フィルタおよび位相シフタを集積する点、および、基準光のパワー変動を検出しフィードバック機構を用いてＤＣドリフトを補償する点では、実施例１と同じである。一方で、ＡＷＧ型光フィルタを構成している入出力導波路、入力側スラブ導波路、出力側スラブ導波路、アレイ導波路などのすべての導波路の構成が実施例１とは相違している。
【００５１】
本実施例で用いた導波路は、まずＬｉＮｂＯ３基板２２０の表面全面にＴｉ薄膜をスパッタ法で付着させたのち、１０５０度でＴｉを熱拡散することによって２２０表面に基板２２０に比べて屈折率の高い層を形成した。その後、基板２２０表面にＡＷＧ型光フィルタの導波路パターンを有したフォトレジストをフォトリソグラフィーにより形成した。次にＡｒガスを用いたドライエッチング法によりリッジ型の導波路２０５を形成した。リッジ型導波路２０５を形成した後は、実施例１と同様に光学バッファ層２２１および電気光学位相シフタ用の複数の電極２０８ａ、２０８ｂを作製した。
【００５２】
本実施例のＡＷＧ型光フィルタにおいては、ＬＮ光導波路をＴｉ拡散法により作製しさらにリッジ型の導波路構造を採用したことによって、実施例１のＴｉ拡散法だけによる導波路に比べて、水平方向の光の閉じ込めが改善し、曲げ半径をより小さくすることができる。このため光フィルタ全体をより小型化することが可能であった。実施例１と比べて、約３０％回路サイズを縮小することができた。
【実施例３】
【００５３】
実施例１および実施例２のＡＷＧ型光フィルタでは、Ｔｉ拡散法により作製した導波路を用いたためＤＣドリフト補償用のフィードバック機構が必要であった。電気光学位相シフタの使用により、熱光学効果を使用する場合と比べて光フィルタ自体の消費電力は小さくなる。しかしながら、フィードバック機構が必要なため、装置全体として依然としてサイズや消費電力が大きくなる。そこで本実施例では、Ｔｉ拡散法を使用する場合に比べ、ＤＣドリフトの原因となっている結晶欠陥の混入がより少ない直接接合法によって導波路を作製して、ＡＷＧ型光フィルタを作製した。
【００５４】
図７は、本発明の実施例３の光周波数選択が可能なＡＷＧ型光フィルタの構成を示す図である。本実施例においても、単一のＬＮ基板上にＡＷＧ型光フィルタおよび位相シフタ等を集積する点は前述の各実施例と同じである。本実施例のＡＷＧ型光フィルタは、導波路を２つの異なる基板を直接接合法によって形成する点で先の実施例と相違している。さらに、ＤＣドリフトを補償するフィードバック機構が不要となる点でも、実施例１、実施例２と相違している。したがって、本実施例のＡＷＧ型光フィルタでは、アレイ導波路（チャンネル導波路）は、クラッドを形成するための第１の材料と、コアを形成するための第２の材料とを直接接合して得られるよう構成されている。
【００５５】
図８は、実施例３のＡＷＧ型光フィルタの電気光学位相シフタ近傍のアレイ導波路の断面構成を示す図である。図７のＡ−Ａ´を切り取った断面を拡大して示している。本実施例においては、最初に、導波路のコア材料としてのＺｎＯを添加したＺカットＬＮ結晶基板(ＺｎＬＮ)、および、クラッド材料としてのＭｇＯを添加したＺカットＬＮ結晶基板３２０を、直接接合法により接合する。その後、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングプロセスによってコアリッジ３０５を形成し、コアサイズ約９μｍ×７μｍのリッジ型導波路を作製した。したがって、図７のＡＷＧ型光フィルタ３００の上面図では、基板３２０はＺカットＬＮ結晶基板が見えていることとなる。また、アレイ導波路３０５、入力側および出力側スラブ導波路３０４、３０６などはＺカットＬＮ結晶基板(ＺｎＬＮ)で構成されている。リッジ導波路を形成した後は、実施例１および実施例２と同様に、光学バッファ層３２１および電気光学位相シフタ用電極３０８ａ、３０８ｂを作製した。
【００５６】
電気光学位相シフタ電極３０８ａ、３０８ｂは、一方の複数の電極３０８ａが、バッファ層３２１を挟んでリッジ型導波路３０５の各々の上方に配置される。他方の複数の電極３０８ｂは、一方の複数の電極３０８ａの隣接する２つの間であって、リッジ構造の脇に、３０８ａ、３０８ｂが交互に並ぶように形成される。電気光学効果を生じさせるために、電極３０８ａおよび電極３０８ｂの間に駆動電圧が印加される。
【００５７】
本実施例では、リッジ型のチャンネル導波路を採用したこと、ならびに、実施例１および２の場合と比べて導波路のコアおよびクラッド間の比屈折率差が０．４％に上昇したことによって、光の閉じ込めをより強くすることができた。これによって、光フィルタ全体の大きさを実施例１に比べ概ね４０％小型化することができた。さらに本実施例に用いた直接接合法によって作製した導波路における電気光学位相シフタは、前述の実施例において用いたＴｉ拡散によって作製した導波路におけるシフタに比べ、ＤＣドリフトが皆無であった。そのためフィードバック処理のための機構・回路を省略することが可能となり、装置全体としてもより小型化および省電力化を実現することができた。
【実施例４】
【００５８】
本実施例のＡＷＧ型光フィルタにおいては、同一のＬＮ基板上にＡＷＧ型光フィルタおよび位相シフタ等を集積すること、ならびに、直接接合法によってリッジ型の導波路を作製する点も実施例３と同様である。実施例３の構成との相違点は、クラッド材料の選択にある。本実施例では実施例３に用いたＭｇＯを添加したＬＮ基板に代えて、ＭｇＯを添加したＬＮ基板に比べて屈折率がより低いＬｉＴａＯ３基板を採用した。作製したリッジ型導波路のコアサイズは約５．５μｍ×５．２μｍ、コアおよびクラッド間の比屈折率差は０．５％となった。本実施例ではＬｉＴａＯ３基板を用いたことによって光の閉じ込めをより強くすることができたため、光フィルタ全体の大きさを実施例１と比べ概ね５０％小型化することが可能であった。
【実施例５】
【００５９】
本実施例のＡＷＧ型光フィルタにおいては、同一のＬＮ基板上にＡＱＧ型光フィルタおよび位相シフタ等を集積すること、ならびに直接接合法によってリッジ型の導波路を作製する点も実施例３、実施例４と同様である。実施例３、４の各構成との相違点は、クラッド材料の選択にある。本実施例では、ＬｉＴａＯ３基板に比べて屈折率がより低い水晶板を、クラッド材料として採用した。作製したリッジ型導波路のコアサイズは約４．５μｍ×４．５μｍ、比屈折率差は２０％となった。本実施例では水基板を用いたことで光の閉じ込めをさらにより強くすることができたため、光フィルタ全体の大きさを実施例１に比べ概ね５５％小型化することが可能であった。
【実施例６】
【００６０】
本実施例のＡＷＧ型光フィルタにおいては、同一のＬＮ基板上にアレイ導波路格子型光フィルタおよび位相シフタ等を集積すること、ならびに、直接接合法によってリッジ型の導波路を作製する点も実施例３〜５と同様である。先の各実施例との相違点は、クラッド材料の選択にある。本実施例ではクラッド材料として、水晶基板に比べて屈折率が低い石英基板を採用した。作製したリッジ型導波路のコアサイズは約３μｍ×２μｍ、コアおよびクラッド間の比屈折率差は２５％となった。本実施例では水晶基板を用いたことで光の閉じ込めをより強くすることができたため、光フィルタ全体の大きさを実施例１に比べ概ね６５％小型化することが可能であった。
【００６１】
以上詳細に述べたように、本発明のＡＷＧ型光フィルタによって、ＡＷＧ型フィルタの各導波路を、単一の基板上に作製し、電気光学効果を生じさせる複数の電極をアレイ導波路上に形成し、高速にアレイ導波路を伝播する光の光位相を制御して、ＡＷＧ型光フィルタの機能範囲を拡大するために必要とされる、光周波数選択機能および透過波長幅可変機能などを速い応答速度で実現する。
【００６２】
また、直接接合法を用いて光導波路を作製することで、ＡＷＧ型光フィルタの光学特性のＤＣドリフトを抑え、フィードバック処理のための機構・回路を省略することが可能となり、装置全体のより小型化および省電力化を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、光通信システムに利用することができる。特に、光波長多重通信に用いられるアレイ導波路回折格子型光フィルタに利用できる。
【符号の説明】
【００６４】
２  入力導波路
６  出力導波路
３、５、１０４、１０６、３０４、３０６  スラブ導波路
４、１０、１０５、３０５  アレイ導波路
１００、３００  ＡＷＧ型光フィルタ
１０３  安定化光源
１０８、１０８ａ、１０８ｂ、２０８ａ、２０８ｂ、３０８、３０８ａ、３０８ｂ  電気光学位相シフタ用電極
１０９  駆動電源
１１０  光検出器
１２１、２２１、３２１  光バッファ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図６】
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