(57)【要約】【課題】光強度の制御を行いながら，光強度が減衰することのない，可変光利得制御器を提供する【解決手段】入力光信号１２２を入力する入力ポート１２１と，ポンプレーザ光を入力する入力ポート１２３と，入力光信号１２２とポンプレーザ光１２４とを合波させる第１の方向性結合器１２５と，ポンプレーザ光１２４と結合した光信号の光強度を制御する光強度制御部１０６と，ポンプレーザ光１２４を光信号から分波させる第２の方向性結合器１２６と，制御された光信号を出力する出力ポート１２７と，ポンプレーザ光１２４を出力する出力ポート１２９とを有する光回路１００が平面基板上に形成されており，光導波路１１０部分には希土類元素がドープされていて，ポンプレーザ光１２４の作用により光信号が増幅されて出力される可変光利得制御器が提供される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面基板上に光導波路にて回路構成された可変光利得制御器において，
光信号を入力する第１のポートと，
励起光を入力する第２のポートと，
前記光信号と前記励起光とを合波させる第１の方向性結合部と，
前記光信号の光強度を制御する光強度制御部と，
前記光強度を制御された前記光信号と前記励起光とを分波する第２の方向性結合部と，
前記光強度を制御された前記光信号を出力する第３のポートと，
前記励起光を出力する第４のポートと，
を有しており，
前記励起光の作用により前記光信号を増幅する希土類元素が，少なくとも前記第１の方向性結合部上の光導波路と前記第２の方向性結合部上の光導波路とにドープされていることを特徴とする可変光利得制御器。
【請求項２】
前記光強度制御部は，マッハツエンダ型回路により構成されることを特徴とする請求項１に記載の可変光利得制御器。
【請求項３】
前記光強度制御部は，方向性結合器型回路により構成されることを特徴とする請求項１に記載の可変光利得制御器。
【請求項４】
前記光強度制御部は，Ｙ分岐型回路により構成されることを特徴とする請求項１に記載の可変光利得制御器。
【請求項５】
前記希土類元素は，さらに前記光強度制御部上の光導波路にドープされていることを特徴とする請求項１，２，３，または４のいずれかに記載の可変光利得制御器。
【請求項６】
前記希土類元素は，エルビウムであることを特徴とする請求項１，２，３，４または５のいずれかに記載の可変光利得制御器。
【請求項７】
平面基板上に光導波路にて回路構成された可変光利得制御器において，
波長の異なる複数の光信号波長に対応して光信号を入力する第１のポート群と，前記複数の光信号波長に対応して，励起光を入力する第２のポート群と，
各々の前記光信号と前記励起光とを合波させる第１の方向性結合部群と，
各々の前記光信号の光強度を制御する光強度制御部群と，
前記光強度を制御された各々の前記光信号と各々の前記励起光とを分波する第２の方向性結合部群と，
前記光強度を制御された各々の前記光信号を出力する第３のポート群と，
各々の前記励起光を出力する第４のポート群と，
を有しており，
前記各々の励起光の作用により前記各々の光信号を増幅する希土類元素が，少なくとも第１の方向性結合部群上の光導波路と前記第２の方向性結合部群上の光導波路とにドープされていることを特徴とする可変光利得制御器。
【請求項８】
少なくとも１つの前記光強度制御部は，マッハツエンダ型回路により構成されることを特徴とする請求項７に記載の可変光利得制御器。
【請求項９】
少なくとも１つの前記光強度制御部は，方向性結合器型回路により構成されることを特徴とする請求項７または８に記載の可変光利得制御器。
【請求項１０】
少なくとも１つの前記光強度制御部は，Ｙ分岐型回路により構成されることを特徴とする請求項７，８または９のいずれかに記載の可変光利得制御器。
【請求項１１】
前記希土類元素は，さらに前記光強度制御部群上の光導波路にドープされていることを特徴とする請求項７，８，９，または１０のいずれかに記載の可変光利得制御器。
【請求項１２】
前記希土類元素は，エルビウムであることを特徴とする請求項７，８，９，１０または１１のいずれかに記載の可変光利得制御器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，光通信システムにおける光強度を制御するために用いられる可変光利得制御器について，光回路の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光伝送容量の増加を図る有効な方式である波長多重伝送システム（ＷＤＭ）が世界中で導入されている。従来，光通信システムにおいて，光強度を任意の値に制御する方法は，光強度の減衰量を変化させる可変光減衰器（可変光アッテネータ，ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）を用いるものであった。これに伴い，光通信装置内の組み込み用途で，電気信号によって減衰量を変化させる可変光アッテネータの技術開発が勢力的に進められている。
【０００３】
このことについては，文献名，三木哲也，須藤昭一編「光通信技術ハンドブック」オプトロニクス社，２００２年，第３２３〜３２６頁に記載されている。上記文献に開示されているように，ＶＯＡの主な用途としてはＷＤＭにおいて，波長毎に異なる光信号のレベルを等しくすることと，多波長一括光増幅器において，光増幅器の波長特性の変動によるシステム特性劣化を避けるため，光の増幅率を一定にしたとき，増幅される光信号の波長数や入力レベルが変動しても出力レベルを一定にすることとの２種類が上げられる。
【０００４】
また，将来的には，光スイッチにより光信号が電気信号に変換されることなしに光路を切り替えられるシステムが重要になると予想されている。このとき，異なる経路により光信号のレベルに差が生じるため，それを等価にするために多数のＶＯＡが必要になることが考えられる。
【０００５】
ＶＯＡの方式は，機械式と非機械式に大別され，機械式は大型になり，アレイ化が難しい。非機械式には，電気光学効果を用いたもの，磁気光学効果を用いたもの，熱光学効果を用いたものが製品化されている。熱光学効果を用いた方式として，ガラス導波路にＭＺ（マッハツェンダ）干渉器を構成し，その２つのアームの位相差をヒータで温度差をつけて可変する方式があり，アレイ化が容易であり，既に２０〜４０チャンネルのＶＯＡが製品化されている。
【０００６】
図４に従来のＶＯＡ，ガラス導波路にマッハツェンダ干渉器を構成し，その２つのアームの位相差をヒータで温度差をつけて可変する方式について示す。マッハツェンダ干渉器は２つのＹ分岐４１，４２と２つの導波路アーム４３，４４からなる。一方のアーム４３には，薄膜ヒータ４５が装荷されており，熱光学効果により導波路の屈折率を変化させ，干渉状態を変えることで光パワーを制御している。入力ポート４６に入射された入力光信号４７は，Ｙ分岐４１を通過した後，等パワーに分配され各導波路アーム４３，４４を伝搬していく。
【０００７】
薄膜ヒータ４５に電流を印加しない場合は，同位相で２つめのＹ分岐４２に合流するため，光信号は放射することなく合成され低損失で出力ポート４８から出力光信号４９となって出力される。しかし，薄膜ヒータ４５に電流を印加すると，導波路の屈折率が変化し，それに応じて光位相も変化する。合成された２つの光信号に位相差が存在すると，その位相差量に応じて光パワーは導波路基板４０に放射され失われる。２つの光信号が逆位相のとき，減衰は最大となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし，以上述べた可変光アッテネータを用いた利得制御では，光の強度を減衰させて光強度を制御するもので，光強度は元の強度より小さくなってしまう。また，高分子材料を用いたものは，信頼性に問題がある。電気光学効果を利用したものの場合は，導波路と光ファイバとの接続損失が大きい上に，高電圧を必要とする。さらに，ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を利用したものは，信頼性，振動，衝撃に対する安定性が懸念される。
【０００９】
また，光ファイバ増幅器の利得を制御することにより光強度を制御する場合には，ノイズも大きくなる場合があり，またシステム全体の寸法が大きくなってしまう。さらに，半導体光増幅器を用いて利得を制御する場合は，光ファイバとの結合損失が大きく，偏波依存性が大きくなってしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は，従来の可変光利得制御器に関する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，光強度の制御を行いながら，光強度が減衰することのない，新規かつ改良された可変光利得制御器を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，本発明の第１の観点によれば，光信号を入力する第１のポートと，励起光を入力する第２のポートと，光信号と励起光とを合波させる第１の方向性結合部と，励起光と結合した光信号の光強度を制御する光強度制御部，光強度制御部で光強度を制御された光信号から励起光を分波させる第２の方向性結合部と，制御された光信号を出力する第３のポートと，分波された励起光を出力する第４のポートとを有する光回路が平面基板上に光導波路で形成されており，ここで，希土類元素が少なくとも第１の方向性結合器と第２の方向性結合器との光導波路部分にドープされていて，励起光の作用により光信号が増幅されて出力されることを特徴とする可変光利得制御器が提供される。また，光強度制御部としては，マッハツエンダ型回路，または方向性結合器型回路，またはＹ分岐型回路により構成することができる。
【００１２】
こうして，マッハツエンダ型回路，または方向性結合器型回路，またはＹ分岐型回路による光強度制御部と，光導波路に希土類元素をドープしたことによる光増幅機構を同一平面基板上に形成したことにより，従来，光強度の制御のために減衰していた光信号を，制御しながら増幅することが可能となった。これによりＷＤＭシステムにおいて，従来ＶＯＡの後段に置く光ファイバ増幅器を省くことも可能となる。
【００１３】
この時，希土類元素が光強度制御部の光導波路にドープされていない場合には，光強度制御部には増幅作用を持たず，入力側と出力側の方向性結合器の部分だけで増幅が行われるが，これにより，マッハツエンダ部と光増幅部において，個別にパラメータの設定が可能となり，光回路全体の設計の自由度が増す。また希土類元素が光強度制御部にもドープされている場合には，設計の自由度は低いが，光強度の増幅効果がより高いものとなる。
【００１４】
ここで，光導波路にドープする希土類元素としては，エルビウムが好ましい。エルビウムをドープした光導波路は，０．９８μｍや１．４８μｍの波長の励起光を吸収することによって１．５３μｍ波長付近で発光する。この発光による誘導放出現象を利用することによって，この光のエネルギーをもらって，１．５５μｍ波長の入力信号の光増幅が可能となるものである。
【００１５】
本発明の第２の観点によれば，波長の異なる複数の光信号波長に対応して，光信号を入力する第１のポート群と，波長の異なる複数の光信号波長に対応して励起光を入力する第２のポート群と，各々の光信号と励起光とを合波させる第１の方向性結合器群と，励起光と結合した光信号の光強度を制御する光強度制御部群と，励起光を各々の光信号から分波させる第２の方向性結合器群と，光強度制御部で光強度を制御された各々の光信号を出力する第３のポート群と，各々の分波された励起光を出力する第４のポート群とを有する光回路が平面基板上に光導波路で形成されており，ここで，希土類元素が少なくとも第１の方向性結合器群と第２の方向性結合器群との光導波路部分にドープされていて，励起光の作用により光信号が増幅されて出力されることを特徴とする可変光利得制御器が提供される。また，各々の光強度制御部は，マッハツエンダ型回路，または方向性結合器型回路，またはＹ分岐型回路のいずれかにより構成することができる。
【００１６】
この可変光利得制御器は第１の観点での可変光利得制御器を同一平面基板上に複数個，入力方向を合わせて並べたものであり，光強度制御部への希土類元素のドープや，希土類元素としてエルビウム用いる効果についても第１の観点と同じである。多重化された複数の波長の信号を同時に１つの素子で制御できるので，波長多重伝送システム（ＷＤＭ）の通信において非常に有効である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる可変光利得制御器の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態について，図１（ａ）に光回路の平面図を，図１（ｂ）に（ａ）のＡ−Ａ部の断面図を示す。光強度制御部１０６として本実施の形態では，マッハツエンダ型の回路を用いている。本光回路１００は，第１ＷＤＭカプラ部１０１，マッハツエンダ部１０２及び第２ＷＤＭカプラ部１０３に分けられる。マッハツエンダ部１０２において，１つのアーム１１１には，クロム製のヒータ１１３が設置されている。ここでヒータの材料としてクロムを用いたが，他の材料を用いることもできる。
【００１９】
また，図１（ｂ）の断面図に示すように，シリコン基板１０の上に，膜厚約２０μｍの下部クラッド層１１，膜厚５μｍ，幅５μｍのコア１２，１３，コア１２，１３上の膜厚が１５μｍの上部クラッド層１４，及び１つのコア１２上のヒータ１１３から構成されている。下部クラッド層１１及び上部クラッド層１４は，酸化シリコンから成る。コア１２，１３は，酸化シリコンを主成分とし，エルビウム（Ｅｒ）が約２ｗｔ％ドープされている。Ｅｒのドープ量により，励起効率が変化し，増幅の利得が決まる。ただし，ある濃度以上では，逆効果であり，本実施の形態では，０．２〜３．０ｗｔ％が好適である。また，本実施の形態では，エルビウムをドープしたが，他の希土類元素でもよい。
【００２０】
入力ポート１２１には，光ファイバが接続され，波長１．５５μｍ帯の入力光信号１２２が入力される。第１ＷＤＭカプラ部１０１において，入力ポート１２３から波長１．４８μｍあるいは，０．９８μｍのポンプレーザ光１２４が入力される。入力ポート１２１から入力された入力光信号１２２は，第１ＷＤＭカプラ部１０１の方向性結合器１２５により合波され，Ｅｒをドープした光導波路１１０を伝搬し，マッハツエンダ部１０２で制御された後，第２ＷＤＭカプラ部１０３の方向性結合器１２６によりポンプレーザ光１２４が分波され，出力ポート１２７から出力光信号１２８が出力される。このとき，出力光信号１２８はエルビウムドープされた光導波路１１０とポンプレーザ光１２４の効果により，光信号強度が約１０ｄＢ増幅される。分波された波長１．４８μｍあるいは，０．９８μｍのポンプレーザ光１２４は，出力ポート１２９に出力され出力ポート１２７には出力されない。
【００２１】
マッハツエンダ部１０２に入力された入力光信号１２２は，マッハツエンダ部１０２の左側の方向性結合器１０４により，２つのアーム１１１，１１２にその強度が１：１に分割される。ヒータ端子１３１からヒータ端子１３２に電流を流すことにより，ヒータ１１３の温度が変化する。その結果，熱光学効果によりヒータ１１３直下の光導波路の屈折率が変化する。これにより，位相が変化する。位相の異なった波と，位相変化のない波が，マッハツエンダ部１０２の右側の方向性結合器１０５により合波する。このとき，２つの波の位相差にしたがって，光強度を制御した光が出力される。
【００２２】
第１ＷＤＭカプラ部１０１に入射したポンプレーザ光１２４は，理想的には１００％のエネルギー変換効率で，エルビウムがドープされた光導波路の信号を増幅するが，実際には，第１ＷＤＭカプラ部１０１の製造ばらつきにより，端面で反射したり，光が漏れたりするが，そのばらつきを考慮して設計する。光導波路にエルビウムがドープされていないと第１ＷＤＭカプラ部１０１にパルスレーザを入射しても，増幅は起こらない。
【００２３】
エルビウムをドープした導波路は，ポンプレーザ光として入力される０．９８μｍや１．４８μｍの波長の励起光を吸収することによって１．５３μｍ波長付近で発光する。この発光による誘導放出現象を利用することによって，信号光はこの光のエネルギーをもらって光増幅が可能となるものである。
【００２４】
以上のように第１の実施の形態によれば，ヒータへの電流値を変化させることにより，導波路の屈折率が変化する。ヒータの温度が上昇すれば，熱光学効果により導波略の屈折率は大きくなる。その結果，マッハツエンダの１つのアームを伝搬する光の位相が変化し，光信号強度を制御できる。ここで，光導波路とポンプレーザ光からなる光を増幅する機構を備えているので，光強度を減衰させることなく増幅して，光強度を制御することが期待できる。
【００２５】
また，光強度制御部として本実施の形態では，マッハツエンダ型の回路を用いているが，方向性結合器型の回路あるいは，Ｙ分岐型の回路を用いてもよい。方向性結合器型の回路を用いた場合は，結合長や，結合度を制御して光強度を制御する。また，Ｙ分岐型の回路を用いた場合は，光導波路形状を制御して光強度を制御する。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図２は，第２の実施の形態を示す平面図である。図１に示した可変光利得制御器を４チャネル分アレイ状に配置した場合である。入力ポート２０１，入力ポート２０５，入力ポート２０９，入力ポート２１３には，それぞれ光ファイバが接続され，波長１．５５μｍ帯の信号が入力される。入力ポート２０３，入力ポート２０７，入力ポート２１１，入力ポート２１５からは，波長１．４８μｍあるいは，０．９８μｍのポンプレーザ光が入力される。
【００２７】
入力ポート２０１，入力ポート２０５，入力ポート２０９，入力ポート２１３から入力された光信号は，エルビウムをドープした光導波路２２０を伝搬し，出力ポート２０２，出力ポート２０６，出力ポート２１０，出力ポート２１４から出力される。このとき，ポンプレーザ光により光信号強度が増幅される。波長１．４８μｍあるいは，０．９８μｍのポンプレーザ光は，出力ポート２０４，出力ポート２０８，出力ポート２１２，出力ポート２１６に出力され，それぞれ出力ポート２０２，出力ポート２０６，出力ポート２１０，出力ポート２１４には出力されない。
【００２８】
入力ポート２０１，入力ポート２０５，入力ポート２０９，入力ポート２１３から入力された光信号は，図２中マッハツエンダ部の左側の各々の方向性結合器２２１により，２つのアームにその強度が１：１に分割される。各々のチャネルのヒータ２２３の温度により，熱光学効果によりヒータ直下の各々の導波路の屈折率が変化する。これにより，位相が変化する。位相の異なった波と，位相変化のない波が，図２の右側の各々の方向性結合器２２２により合波する。このとき，２つの波の位相差にしたがって，出力ポート２０２，出力ポート２０６，出力ポート２１０，出力ポート２１４から光強度を制御した光が出力される。
【００２９】
以上のように第２の実施の形態によれば，第１の実施の形態と同様にヒータへの電流値を変化させることにより，導波路の屈折率が変化して光信号強度を制御でき，光導波路とポンプレーザ光からなる光を増幅する機構を備えているので，光強度を減衰させることなく増幅して，光強度を制御することが期待できる。さらに４チャネル分がアレイ状に配置されているので，波長多重の通信において，４波の利得を同時に制御できる。
【００３０】
（第３の実施の形態）
図３は，第３の実施の形態を示す平面図である。第１及び第２の実施の形態では，光導波路全体にエルビウムをドープし，光回路全体を光増幅回路としたが，第３の実施の形態では，マッハツエンダ部３０２にはエルビウムをドープせずに，第１ＷＤＭカプラ部３０１，第２ＷＤＭカプラ部３０３のみを光増幅部とし，マッハツエンダ部３０２を直列に接続した回路にしている。マッハツエンダ部３０２では増幅が起こらないこと以外，第１の実施の形態と同様であるので，構造や動作についての詳細な説明は省略する。
【００３１】
本実施の形態のように，マッハツエンダ部にはエルビウムをドープせず，増幅作用を持たせなかったことにより，マッハツエンダ部と光増幅部において，個別にパラメータの設定が可能となり，光回路全体の設計の自由度が増す。
【００３２】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかる可変光利得制御器の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３３】
本実施の形態では，光回路全体について，酸化シリコンを主体とした光導波路について記したが，有機物光導波路を組み合わせて用いることもできる。加えて，ヒータの材料としてクロムを用いたが，他の材料を用いることもできる。さらに，第２の実施形態では４つのチャネル分を同一基板上に並べたが，チャネル数はこれに限定するものではない。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば，可変光利得制御器において，マッハツエンダ型回路，または方向性結合器型回路，またはＹ分岐型回路による光強度制御部と，光導波路に希土類元素をドープしたことによる光増幅機構を同一平面基板上に形成したことにより，従来，光強度の制御のために減衰していた光信号を，１つの素子で，光強度の制御とともに増幅することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる可変光利得制御器の（ａ）は平面図であり，（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ部の断面図である。
【図２】第２の実施の形態にかかる可変光利得制御器の平面図である。
【図３】第２の実施の形態にかかる可変光利得制御器の平面図である。
【図４】従来技術によるマッハツェンダ型のＶＯＡの平面図である。
【符号の説明】
１０　　シリコン基板
１１　　下部クラッド層
１２　　コア
１３　　コア
１４　　上部クラッド層
１００　　光回路
１０１　　第１ＷＤＭカプラ部
１０２　　マッハツエンダ部
１０３　　第２ＷＤＭカプラ部
１０４　　方向性結合器
１０５　　方向性結合器
１０６　　光強度制御部
１１０　　光導波路
１１１　　アーム
１１２　　アーム
１１３　　ヒータ
１２１　　入力ポート
１２２　　入力光信号
１２３　　入力ポート
１２４　　ポンプレーザ光
１２５　　方向性結合器
１２６　　方向性結合器
１２７　　出力ポート
１２８　　出力光信号
１２９　　出力ポート
１３１　　ヒータ端子
１３２　　ヒータ端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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