(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱平面基板と、該放熱平面基板上に形成されたコア及びクラッドからなる光導波路と、該光導波路上に形成されるヒーターとで構成され、
前記コア及びクラッドは、熱光学定数が負の高分子光導波路材料からなり、
前記ヒーターと前記放熱平面基板との間に生ずる温度勾配によって、前記コアの屈折率が前記放熱平面基板近傍のクラッドの屈折率と同程度となり、かつ放熱平面基板側のコア直近のクラッドの屈折率よりは大きくなるような加熱電力を、前記ヒーターに与えることによって、前記放熱平面基板側のクラッドの一部に周囲より屈折率の高い熱誘起コア部を生じさせ、
前記光導波路の前記コアの導波モードを前記熱誘起コア部の放射モードに光結合させることにより光導波路の前記コア中の導波光を減衰させる
ことを特徴とする可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信及び光信号処理システムにおける光信号強度の調節や光信号の遮断に用いられる可変光減衰器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信に於いては、伝送品質を確保するために信号光の強度を適正値に調節する可変光減衰器が不可欠である。さらに、近年、普及し始めた波長多重通信や並列多チャンネル通信に於いては、複数のチャンネルの信号光強度を同じとすることが求められ、１つのシステムに多数の可変光減衰器が使われる。このため、多チャンネルに対応できる小型の可変光減衰器が求められている。
【０００３】
可変光減衰器としては、空間光学型と光導波路型の２種類がある。
【０００４】
前者の空間光学型可変光減衰器は、光吸収率（ＯＤ）の異なる板状フィルターの切り替えや、面内でＯＤが連続的に変化する板状フィルターの位置移動により、吸収量の可変を実現している。光ファイバを導波する通信光に適用する場合は、入力ファイバから出た光をレンズで平行光にした後、前述の可変ＯＤフィルターを透過させ、さらにレンズを用いて出力ファイバに結合させる。この方式はレンズ系を用いるため、構造的に大きくなり、多チャンネルシステムには適さない。
【０００５】
後者の光導波路型可変光減衰器は、小型であり、１つのチップ上に多数の可変光減衰器を集積できる特徴がある。この際、導波光制御の方法として、熱光学効果や電気光学効果を用いるものが提案されている。
【０００６】
熱光学効果を利用するものは、熱光学光スイッチを低消光比状態に制御するもので、光スイッチの構成としてマッハツェンダー干渉計を用いるもの（例えば、Ｔ．Ｋａｗａｉ，ｅｔ．ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３４，ｐｐ．２６４〜２６５，１９９８参照）、またはＹ分岐型デジタルスイッチを用いるもの（例えば、特開平１０−２０３４８号参照）がある。両者とも、光導波路部の構造として方向性結合器や分岐器等の複雑なものが必要とされ、特性の再現性の問題や光回路が長くなるといった欠点がある。
【０００７】
また、電気光学効果を利用するものとして、曲線導波路外側のクラッドの屈折率を制御して導波光の閉じ込め強度を変化させ、曲線部外側へ放射する光量を調節するもの（例えば、特開平６−１８６５１３号参照）がある。電気光学効果を利用するものでは、特性の温度依存性が大きい、特定の偏光でしか動作できないといった欠点があり、さらに減衰量が小さいために曲線部を多段にする必要があり、その分、素子が大きくなり、最低減衰量もしくは挿入損失が大きくなる等の欠点がある。
【０００８】
一方、光クロスコネクトシステム等に用いられる光スイッチには、近年、普及し始めた波長多重通信に対応するため、集積化及びクロストークをより小さくすることが求められている。光スイッチには、機械切り替え型と光導波路型の２種類がある。
【０００９】
前者の機械切り替え型光スイッチは光ファイバ自身やミラー、プリズム等を動かして光路を切り替えるもので、可動部分があるため、集積化や信頼性確保が難しいといった欠点がある。
【００１０】
後者の光導波路型光スイッチは集積化が容易であり、特に熱光学効果を使ったマッハツェンダー干渉計型やＹ分岐型デジタルスイッチ（例えば、吉田ら、ＮＴＴ  Ｒ＆Ｄ，Ｖｏｌ．４４，ｐｐ．５４７、または大庭ら、ＮＴＴ  Ｒ＆Ｄ，Ｖｏｌ．４７，ｐｐ．５１５，１９９８等参照）は低損失であるため、有望視されているが、クロストークを低くするために２段構成にしたり、分岐角を小さくする等の工夫が必要となり、このため素子が大きくなる欠点があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の可変光減衰器は、原理的または構造的に素子が大きくなったり、特性の再現性、安定性が不十分であるという欠点を抱えていた。
【００１２】
本発明の目的は、直線や曲線の単純な導波路とヒーターによる単純な構造で小型の可変光減衰器を実現することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変光減衰器では、放熱平面基板と、該放熱平面基板上に形成されたコア及びクラッドからなる光導波路と、該光導波路上に形成されるヒーターとで構成され、前記コア及びクラッドは、熱光学定数が負の高分子光導波路材料からなり、前記ヒーターと前記放熱平面基板との間に生ずる温度勾配によって、前記コアの屈折率が前記放熱平面基板近傍のクラッドの屈折率と同程度となり、かつ放熱平面基板側のコア直近のクラッドの屈折率よりは大きくなるような加熱電力を、前記ヒーターに与えることによって、前記放熱平面基板側のクラッドの一部に周囲より屈折率の高い熱誘起コア部を生じさせ、前記光導波路の前記コアの導波モードを前記熱誘起コア部の放射モードに光結合させることにより光導波路の前記コア中の導波光を減衰させることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の可変光減衰器の実施の形態の一例を示すもので、コア１１及びクラッド１２からなる光導波路１３と、該光導波路１３に接するヒーター１４と、前記光導波路１３に接する放熱基板１５とにより構成されている。光導波路１３は、通常のシングルモード条件を満たす範囲でコアサイズ及びコア−クラッド間の屈折率差を設定することができる。導波路コア１１は、直線であっても基板に平行な面内で曲線を描いていても良い。
【００１６】
図２の（ａ）は、図１の可変光減衰器におけるヒーターを加熱しない時の光導波路断面における導波光の電界分布２１と、図１の（ｂ）に示したコアの中心線１６に沿った屈折率分布２２とを示している。この時、光導波路１３は通常のシングルモード導波路として働き、導波光は導波路固有の吸収や散乱によってのみ減衰する。
【００１７】
ここで、ヒーター１４を加熱すると、ヒーター１４と基板１５との間に温度勾配が生ずる。熱光学定数が負の材料を用いた場合、ヒーター１４近くの屈折率が下がり、図２の（ｂ）に示すように変化する。この際、符号１７で示す領域の屈折率は、相対的にコア１１の屈折率と同等もしくは大きくなっており、この領域は熱誘起コアとして働く。コア１１と熱誘起コア１７はクラッド１２を挟んで近接するため、光結合を生じて方向性結合器として働く。図２の（ｂ）には、加熱したヒーター１４下を３ｍｍ導波後の光電界分布の計算値を示してある。
【００１８】
熱誘起コア１７は面状に広がっているため、この光電界分布は放射モードであり、コア１１内の光強度は光の進行とともに減衰していく。適当な加熱温度を選ぶことで任意の光減衰量が得られ、可変光減衰器として働く。また、十分高温に加熱することで光遮断スイッチとして動作させることもできる。
【００１９】
なお、熱光学定数が正の材料を用いた場合には、熱誘起コア１７はヒーター側のクラッド内に誘起され、この場合も上記と同じ動作原理で可変光減衰器、光遮断スイッチとして働く。
【００２０】
さらに、本発明では、領域１７の一部または全部を光吸収性もしくは光散乱性の高い材料よりなる光減衰層とすることで減衰量が大きくなることを見いだした。この場合、非加熱時には光電場が光減衰層に掛からないので、最小減衰量は変化しない。このため、より短い素子または少ない加熱をもって、より大きい減衰量可変範囲が得られる。
【００２１】
光減衰層の材料としては、信号光波長帯で十分な光吸収があり、屈折率が光導波路のクラッドもしくはコアに近いことが望ましい。通信波長帯については、カーボンブラックや酸化亜鉛微粒子を分散した材料が効果的である。また、高分子材料の薄膜を形成後に熱で部分分解して黒化しても、カーボンブラックを分散するのと同様の効果が得られる。
【００２２】
図３は可変光減衰器の実施の形態の他の例を示すもので、ここでは同図の（ａ）に示すように、ヒーター１４をコア１１の中心線１６に対しオフセット３１を持たせて、光導波路コア１１の斜め上方に配置した例を示す。この場合、ヒーター加熱により誘起する放射モードは、図３の（ｂ）に示すようにコア１１を挟んでヒーター１４の逆側にも広がる。このために、コア１１直上にヒーター１４がある場合より大きい減衰量が得られる。光導波路のコア１１が円弧を描く場合は、ヒーター加熱により誘起する放射モードは、図３の（ｂ）と同様に円弧外周側に広がる。このため、コア１１直上にヒーターがある場合より大きい減衰量が得られる。
【００２３】
本発明の可変光減衰器は、光導波路の任意の部分に形成でき、構成要素が熱光学光スイッチと同じであるため、熱光学光スイッチの分岐出力に連続して形成することができる。
【００２４】
図４は光スイッチの参考例、ここではＹ分岐デジタル熱光学スイッチの分岐コアに連続して放射型可変光減衰器を構成した例を示しており、放熱平面基板（図示せず）と、該放熱平面基板上に形成されたＹ分岐形状のコア４１及びクラッド４２からなる光導波路４３と、該光導波路４３の分岐部近傍に接するヒーター４４ａ，４４ｂとにより構成されている。
【００２５】
Ｙ分岐光スイッチの光路切り替えスイッチとしての動作は、原理的に２つの分岐コアが光結合できる程度に近接する領域４５のみに限られている。領域４６は可変光減衰器として動作し、Ｙ分岐光スイッチの消光側出力コアを導波するクロストーク光を減衰させる。これにより、図４に示す光スイッチは高い消光比を実現している。
【００２６】
アクリル系高分子または紫外線硬化エポキシ樹脂またはシリコーン樹脂またはポリイミドに代表される高分子光導波路材料は、石英ガラスのような無機ガラス光導波路材料に比べて熱光学定数が約１桁大きい特徴がある。このため、本発明の可変光減衰器及び光スイッチに高分子材料を用いると、低い加熱温度もしくは小さい加熱電力で同等の効果が得られる。
【００２７】
【実施例１】
屈折率１．４８９の重水素化シリコーン樹脂をコアに、屈折率１．４８５の重水素化シリコーン樹脂をクラッドに用いて、シリコン基板上に直線導波路を作製した。シリコーン樹脂光導波路の作成方法は、特願平９−３６１３８３号「熱光学デバイス」に準じた。コア断面サイズは８μｍ×８μｍ、下層クラッド厚、コア上の上部クラッド厚は、それぞれ１８μｍ、１６μｍとした。導波路上に金薄膜をスパッター法で形成し、フォトリソグラフィー及びドライエッチング法を用いて長さ３ｍｍ、幅２０μｍでコアと平行のストリップ状の薄膜抵抗ヒーターを作製した。
【００２８】
図３の（ａ）に示したヒーターオフセット量３１の異なる試料を複数作製した。作製した直線導波路両端にシングルモードファイバを突き合わせ結合し、波長１．５５μｍのＬＥＤ光源及び光パワーメータを接続して透過光の減衰量を測定した。
【００２９】
図５に減衰量のヒーター加熱電力及びヒーターオフセット量依存を示す。この結果から、本試料が、０〜１５０ｍＷの加熱電力で減衰量０．５〜２０ｄＢの可変光減衰器として動作することが確かめられた。
【００３０】
【実施例２】
カーボンブラックを分散した紫外線硬化性エポキシ樹脂をシリコン基板上にスピンコートし、紫外線照射後に２５０℃でアニールして、膜厚約４μｍの薄膜を得た。この薄膜は波長１．５５μｍにおいて０．２ｄＢ／μｍの損失を持つため、光減衰層として働く。この光減衰層の上に実施例１と同じ要領で直線導波路、曲率半径３０ｍｍの曲線導波路及び薄膜ヒーターを形成した。但し、下層クラッド厚は１４μｍ、ヒーターオフセット量は０μｍとした。実施例１と同様に波長１．５５μｍにおいて透過光の減衰量を測定した。
【００３１】
図６に減衰量のヒーター加熱電力依存を示す。図５に示した光減衰層が無い場合に比べて最大減衰量が大きいことが分かる。また、曲線導波路を用いると直線のものに比べて減衰量が増加している。本試料は可変光減衰器のみならず、光遮断スイッチとしても十分な消光比となることが確認された。
【００３２】
【実施例３】
図４に示した構造の放射減衰型Ｙ分岐光スイッチを、実施例１と同様の方法で作成した。ヒーター４４ａ，４４ｂの光路切り替え用領域４５の長さは２．５ｍｍ、放射用領域４６の長さは１ｍｍとした。放射用領域４６における２つの分岐コアは２４μｍ以上離れている。比較用に放射用領域を持たない従来型の光スイッチも同様な方法で作成した。波長１．５５μｍのＬＤ光源及び２つの光パワーメータをそれぞれ幹側、分岐側コアに接続してスイッチ特性を測定した。放射減衰型Ｙ分岐光スイッチを１２０ｍＷの印加電力で動作させた時の消光比は３２ｄＢであり、従来型の２８ｄＢより大きいことが確かめられた。
【００３３】
【実施例４】
屈折率１．４８５のグラスレジンに平均粒径０．８μｍの酸化亜鉛微粒子を分散した材料をシリコン基板上にスピンコートして、膜厚約４μｍの薄膜を得た。この薄膜は波長１．５５μｍにおいて０．２ｄＢ／μｍの損失を持つため、光減衰層として働く。この上に実施例３同様の放射減衰型Ｙ分岐光スイッチを作成した。但し、下層クラッド層の厚さは１２μｍとした。波長１．５５μｍのＬＤ光源及び２つの光パワーメータをそれぞれ幹側、分岐側コアに接続してスイッチ特性を測定した。放射減衰型Ｙ分岐光スイッチを１２０ｍＷの印加電力で動作させた時の消光比は３８ｄＢであった。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、単純な構成で小型かつ可変減衰量の大きい可変光減衰器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可変光減衰器の実施の形態の一例を示す構成図
【図２】図１の可変光減衰器におけるヒーターを加熱しない時及び加熱した時の導波光の電界分布と中心線に沿った屈折率分布を示す図
【図３】本発明の可変光減衰器の実施の形態の他の例を示す図
【図４】光スイッチの参考例を示す構成図
【図５】直線導波路による放射型可変光減衰器の特性図
【図６】光減衰層を持つ直線及び円弧導波路による放射型可変光減衰器の特性図
【符号の説明】
１１，４１：コア、１２，４２：クラッド、１３，４３：光導波路、１４，４４：ヒーター、１５：基板、１６：中心線、１７：熱誘起コア部、２１：電界等高線、２２：屈折率、３１：ヒーターオフセット量、４５：光路切り替え領域、４６：放射領域。
【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６】
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