(57)【要約】【課題】偏波依存性を解消した光可変減衰器を提供する。【解決手段】光可変減衰器を自由伝搬領域５と、屈折率変調器６と、入力用の光導波路である入力導波路１及び第１接続導波路２と、出力用の光導波路である第２接続導波路３及び出力導波路４とから構成し、入力用の光導波路から自由伝搬領域５に光波を入力すると共に、屈折率変調器６により自由伝搬領域５の有する屈折率ｎ２　を変化させることにより、第１接続導波路２から自由伝搬領域５に入力される光波の伝搬方向θｔを変化させ、第２接続導波路３へ光波の結合効率を変化させて出力する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力用の光導波路と、自由伝搬領域と、出力用の光導波路と、屈折率変調手段とからなり、
前記入力用の光導波路は、前記自由伝搬領域に接続され、前記自由伝搬領域に光波を入力し、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させ、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させると共に、当該自由伝搬領域に接続される前記出力用の光導波路へ光波の結合効率を変化させて出力することを特徴とする光可変減衰器。
【請求項２】
請求項１に記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方は、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することを特徴とする光可変減衰器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ１（０°≦θ１＜９０°）で入射するように、前記入力用の光導波路が前記自由伝搬領域に接続されていることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、シリコーン樹脂からなることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の電界依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の機械的な応力依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項１０】
請求項１ないし７のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子であることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項１１】
請求項１ないし６のいずれか又は請求項８に記載の光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項１２】
請求項１ないし６のいずれか又は請求項９に記載の光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項１３】
請求項１０に記載の光可変減衰器を有し、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させたことを特徴とする光可変減衰器モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光強度を減衰させる光可変減衰器に関し、例えば、光ファイバ通信に用いられる導波路光部品に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、フォトリソグラフィ技術および微細加工技術により、光波長以下の精度で再現性良く導波路型光部品を量産することができるという特徴を有するからである。
【０００３】
各種導波路型光部品の中でも、光可変減衰器は波長分割多重通信におけるチャネル間の信号強度のばらつきの補正や光ファイバアンプの利得等化などに用いられ、その低価格化、歩留まり及び量産性の向上が望まれている光部品である。特に、光ファイバアンプの利得等化については、可変減衰量が１５ｄＢ以上、偏波依存性が０．２ｄＢ以下という厳しいスペックが要求されている。
【０００４】
以下に図を用いて従来の光可変減衰器を説明する。図８は従来型の光可変減衰器の概略構成図である。同図に示すように、光可変減衰器１００において、入力導波路１０１より入射した光波は、第１光方向性結合器１０２により、第１アーム導波路１０３および第２アーム導波路１０４へと等強度に２つに分岐される。次に、第１アーム導波路１０３および第２アーム導波路１０４を伝搬した光波は第２方向性結合器１０７により合波され出力導波路１０８および出力導波路１０９から出力される。ここで、第１アーム導波路１０３と第２アーム導波路１０４の長さは等しく設定される。
【０００５】
第１アーム導波路１０３を伝搬する光波の位相は、その上部に配置された薄膜ヒータ１０５から供給される熱によって制御される。すなわち、電流源１０６から薄膜ヒータ１０５に供給される電流Ｉを制御することにより、第１アーム導波路１０３を伝搬する光波の位相を連続的に変化させることができる。
【０００６】
出力導波路１０８における光波の減衰量Ａｔｔ（Δφ）は、第１アーム導波路１０３を伝搬する光波に与えられた位相シフト量Δφにより、入力光強度をＰ０として下記数１に示す式で与えられる。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
図９は、前述する従来の光可変減衰器を石英系光導波路を用いて作製した場合の減衰量特性の一例を示した特性図である。同図において、横軸は印加電力（Ｗ）であり、縦軸は上記数１に示す式で表される減衰量（ｄＢ）である。光可変減衰器の作製にあたっては、火炎堆積法および反応性イオンエッチングによる一般的な石英系光導波路の作製方法が用いられている。同図に示すように、０．５Ｗの印加電圧で減衰量は最大（すなわち出力強度は最小）の約２５ｄＢであり、良好な特性を示している（例えば、下記非特許文献１参照）。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｏｋｕｎｏ　ｅｔ　ａｌ　，“８ｘ８　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｕｓｉｎｇ　Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ　Ｐｌａｎａｒ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ”，ＩＥＩＣＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，日本，１９９３年　７月，Ｖｏｌ．Ｅ７−Ｃ，Ｎｏ．７，ｐ１２１５−ｐ１２２３
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光可変減衰器では、減衰量が大きくなるにつれて入力光の偏波依存性も大きくなり、例えば、ＴＭ偏波に対して最大減衰量が得られる条件（図９において印加電力０．５Ｗ）では、ＴＭ偏波とＴＥ偏波とで最大６ｄＢもの差が発生してしまう。これは、第１アーム導波路１０３がＴＭ偏波とＴＥ偏波に対して異なる熱光学定数を有するため、ある電力を薄膜ヒータ１０５に印加した状態において、ＴＭ偏波とＴＥ偏波とで位相シフト量が異なることが原因であった。
【００１１】
したがって、従来の導波路型の光可変減衰器においては、低電力で作動すると共に最大減衰量も十分確保され、良好な光学特性を実現しているものの、偏波依存性が大きいという問題が生じていた。特に、減衰量が大きくなる領域では、偏波依存性も極端に大きくなるため、実際のシステムへ適用する際の大きな障害となっていた。
【００１２】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、偏波依存性を解消した光可変減衰器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する第１の発明は、入力用の光導波路と、自由伝搬領域と、出力用の光導波路と、屈折率変調手段とからなり、
前記入力用の光導波路は、前記自由伝搬領域に接続され、前記自由伝搬領域に光波を入力し、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させ、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させると共に、当該自由伝搬領域に接続される前記出力用の光導波路へ光波の結合効率を変化させて出力することを特徴とする光可変減衰器である。
【００１４】
屈折率変調手段により自由伝搬領域の屈折率を変化させ、自由伝搬領域において、入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させることにより、出力用の導波路に対する光波の結合効率を変化させ、出力用の導波路から出力される光波の減衰率を変化させる。
【００１５】
前記課題を解決する第２の発明は、第１の発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方は、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することを特徴とする光可変減衰器である。
自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有する光導波路とすることで、伝搬する光波の広がりを抑え、効果的な光減衰効果を得る。
【００１６】
前記課題を解決する第３の発明は、第１又は第２の発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ１（０°≦θ１＜９０°）で入射するように、前記入力用の光導波路が前記自由伝搬領域に接続されていることを特徴とする光可変減衰器である。
【００１７】
前記課題を解決する第４の発明は、第１ないし第３のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成されることを特徴とする光可変減衰器である。
【００１８】
例えば、同一の基板上に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを作製し、入出力用の光導波路の間に溝を形成すると共に、充填剤を充填して自由伝搬領域を作製することにより、光可変減衰器の製造工程を簡便にする。
【００１９】
前記課題を解決する第５の発明は、第１ないし第４のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２０】
前記課題を解決する第６の発明は、第１ないし第５のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、シリコーン樹脂からなることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２１】
入出力用の光導波路を石英系光導波路とし、自由伝搬領域をシリコーン樹脂から形成することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【００２２】
前記課題を解決する第７の発明は、第１ないし第６のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２３】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを熱光学定数が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【００２４】
前記課題を解決する第８の発明は、第１ないし第７のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の電界依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２５】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の電界依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【００２６】
前記課題を解決する第９の発明は、第１ないし第８のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の機械的な応力依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２７】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の機械的応力依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【００２８】
前記課題を解決する第１０の発明は、第１ないし第７のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子であることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２９】
前記課題を解決する第１１の発明は、第１ないし第６のいずれか又は第８の発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器である。
【００３０】
前記課題を解決する第１２の発明は、第１ないし第６のいずれか又は第９の発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器である。
【００３１】
前記課題を解決する第１３の発明は、第１０の発明に係る光可変減衰器を有し、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させたことを特徴とする光可変減衰器モジュールである。
【００３２】
高い応答性で屈折率を制御することができる光可変減衰器とした光可変減衰器モジュールを実現する。
【００３３】
本発明に係る光可変減衰器では、自由伝搬領域の屈折率を変化させることにより、入力用の光導波路から自由伝搬領域に入力される伝搬光の進路を変化させる。このようにして伝搬光の進路を変化させることにより、自由伝搬領域から出力用の光導波路への光の結合効率を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現する。また、自由伝搬領域の屈折率を変化させることにより、光導波路と自由伝搬領域の間の開口数を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現する。
【００３４】
図１は本発明に係る光可変減衰器の一例の概略構成図であるが、以下の説明は本発明を限定するものではない。同図に示すように、光可変減衰器９は、自由伝搬領域５と、自由伝搬領域５に一定の角度θ１（０°≦θ１＜９０°）をもって接続される第１接続導波路２と、第１接続導波路２に接続される入力導波路１と、自由伝搬領域５の所定の位置に一定の角度θ２（０°≦θ２＜９０°）をもって接続される第２接続導波路３と、第２接続導波路３に接続される出力導波路４と、自由伝搬領域５の直近に配設された屈折率変調器６とからなる。入力導波路１と第１接続導波路２とから「入力用の光導波路」が構成され、出力導波路４と第２接続導波路３とから「出力用の光導波路」が構成される。
【００３５】
光可変減衰器９において、入力導波路１から入射した光波は、第１接続導波路２を経由して自由伝搬領域５へと入射される。このとき、第１接続導波路２と自由伝搬領域５とは、第１接続導波路２と自由伝搬領域５との接続点Ｐ１において、入射角θ１（０°≦θ１＜９０°）の角度をもって接続されている。ここで、入射角θ１とは、入射された光波の光軸と自由伝搬領域５から垂直に引いた仮想線とがなす角度である。
【００３６】
ここで、第１接続導波路２の屈折率をｎ１　、自由伝搬領域５の屈折率をｎ２　とすると、自由伝搬領域５において伝搬する光波の伝搬方向θｔは、θ１（０°＜θ１＜９０°）との関係で、スネルの法則より下記数２に示す式で与えられる。ここで、伝搬方向θｔとは、自由伝搬領域５において伝搬する光波の光軸と自由伝搬領域５から垂直に引いた仮想線とがなす角度である。
【００３７】
【数２】
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【００３８】
更に、自由伝搬領域５の直近に配設された屈折率変調手段である屈折率変調器６により、自由伝搬領域５の屈折率ｎ２　を変化させることができるようになっている。屈折率変調器６としては、例えば、温度を変化させて屈折率を変調させるもの、電界をかけて屈折率を変調させるもの、機械的な応力（ひずみ）をかけることで屈折率を変調させるもの等が考えられる。
【００３９】
屈折率変調器６により自由伝搬領域５の屈折率ｎ２　を変化させることにより、上記数２に示す式に基づいて、自由伝搬領域５における光波の伝搬方向θｔを変化させることができる。
【００４０】
ここで、自由伝搬領域５と第２接続導波路３とは、自由伝搬領域５と第２接続導波路３との接続点Ｐ２において、出射角θ２の角度をもって接続されている。また、接続点Ｐ２は、自由伝搬領域５と第２接続導波路３との界面と、初期状態の伝搬方向θｔで自由伝搬領域５内を伝搬する光波とが交差する点に位置している。
【００４１】
なお、初期状態の伝搬方向θｔとは、屈折率変調器６を作動させない状態における自由伝搬領域５の屈折率ｎ２　に基づく伝搬方向のことである。また、図１における自由伝搬領域５には、初期状態の光波の伝搬方向を点線で示してある。この状態においては、入力導波路１から入力された光波は、ほぼ完全な結合効率で出力導波路４から出力されている。
【００４２】
前述する構成を有する光可変減衰器９において、屈折率変調器６を作動させることにより、入力導波路１から入力され自由伝搬領域５を伝搬する光波の接続点Ｐ２における第２接続導波路３への結合効率を変化させることが可能となり、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【００４３】
なお、入射角θ１について０°＜θ１＜９０°の範囲では、上記原理により光強度を減衰させることができるが、θ１＝０°の場合には、上記原理とは異なった原理に基づいて光強度が減衰する。θ１＝０°の場合には、以下の原理に基づく。すなわち、自由伝搬領域５の屈折率を変化させることにより、自由伝搬領域５と第１接続導波路２の間の開口数、もしくは自由伝搬領域５と第２接続導波路３の間の開口数を変化させることができる。開口数を変化させることにより、第１接続導波路２から出射する光波の自由伝搬領域５におけるビームの広がりを変化させることができ、この結果、第２接続導波路３への光波の結合効率を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下に図面および数値を挙げて本発明の実施形態を詳細に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
【００４５】
［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態に係る光可変減衰器の概略構成図である。同図に示すように、第１の実施形態に係る光可変減衰器１０は、自由伝搬領域１５と、自由伝搬領域１５に一定の角度θ１をもって接続される第１接続導波路１２と、第１接続導波路１２に接続される入力導波路１１と、自由伝搬領域１５の所定の位置に一定の角度θ２をもって接続される第２接続導波路１３と、第２接続導波路１３に接続される出力導波路１４と、自由伝搬領域１５の直近に配設された屈折率変調手段である薄膜ヒータ１６とからなる。入力導波路１１と第１接続導波路１２とから「入力用の光導波路」が構成され、出力導波路１４と第２接続導波路１３とから「出力用の光導波路」が構成される。
【００４６】
第１の実施形態に係る光可変減衰器１０では、幅Ｗ１の入力導波路１１を第１接続導波路１２に、第１接続導波路１２を自由伝搬領域１５へと接続した。自由伝搬領域１５は、第１接続導波路１２と角度θ１で交差する幅Ｄｓの溝１７に充填剤としてシリコーン樹脂を充填することで形成した。
【００４７】
更に、第１接続導波路１２と自由伝搬領域１５の接続点から自由伝搬領域１５の長さ方向にＳの距離だけ離れた位置において、自由伝搬領域１５に第２接続導波路１３を接続した。なお、自由伝搬領域１５の長さ方向とは、自由伝搬領域１５において第１接続導波路１２と第２接続導波路１３とが接続される面の間の距離を示す幅Ｄｓに対して直行する方向である。
【００４８】
図３は、第１接続導波路１２と自由伝搬領域１５との接続部分の拡大図である。第１接続導波路１２には、自由伝搬領域１５とのモード不整合により生じる不要損失、すなわち光可変減衰器として動作していないときに生じる損失を低減するためにモード変換構造を設けた。すなわち、同図に示すように、第１接続導波路１２の入力導波路１１側の領域から自由伝搬領域１５側に向かい、長さＬ１にわたって、導波路幅がＷ１からＷ２へと広くなると共に、自由伝搬領域１５との境界まで、長さＬ２にわたって導波路幅Ｗ２を維持するモード変換構造を作製した。本構造により、自由伝搬領域１５に対する導波路の開口数を小さく設定することができ、前述した不要損失を低減することができる。また、第２接続導波路１３に対しても、同様のモード変換構造を作製した。
【００４９】
本実施形態においては、Ｗ１＝６μｍ、Ｗ２＝１０μｍ、Ｌ１＝２５０μｍ、Ｌ２＝２５０μｍ、θ１＝θ２＝６０°、Ｓ＝２１１．５μｍ、導波路コアの厚みＨ＝６μｍ、自由伝搬領域１５である溝１７の幅Ｄｓ＝５０μｍとし、光可変減衰器を作製した。導波路コアとは、入出力導波路１１、１４、第１及び第２接続導波路１２、１３のコアをいう。これらの導波路としては、一般的な火炎堆積法と反応性イオンエッチングにより作製した石英系光導波路とした。
【００５０】
本実施形態に係る光可変減衰器１０において、２５℃における石英系光導波路の屈折率ｎ１　は１．４５２であり、自由伝搬領域１５を形成するシリコーン樹脂の屈折率ｎ２　は１．３９１である。また、石英系光導波路の熱光学定数は　０．００００１／℃であり、シリコーン樹脂の熱光学定数は−０．０００４／℃である。
【００５１】
したがって、温度２５℃の場合には、第１接続導波路１２から自由伝搬領域１５へと入射角θ１で入射された光波は、上記数２に示すスネルの法則により石英系光導波路の屈折率ｎ１　とシリコーン樹脂の屈折率ｎ２　との差に基づき屈折し、θｔ＝６４．７°の角度で自由伝搬領域１５を伝搬し、第２接続導波路１３から出射される。
【００５２】
なお、光波が伝搬方向θｔ＝６４．７°の角度で自由伝搬領域１５を伝搬する状態（温度２５℃における光路）を初期状態とする。図２における自由伝搬領域１５には、初期状態の光波の伝搬方向を点線で示してある。この状態においては、入力導波路１１から入力された光波は、ほぼ完全な結合効率で出力導波路１４から出力されている。
【００５３】
ここで、薄膜ヒータ１６に電力を印加すると、自由伝搬領域１５を形成するシリコーン樹脂の屈折率ｎ２　が温度依存性を有し変化するため、スネルの法則に基づき、自由伝搬領域１５を伝搬する光波の伝搬方向θｔが変化する。ここで、伝搬方向θｔの変化率は、０．０３５°／℃である。
【００５４】
すなわち、光波が自由伝搬領域１５と第２接続導波路の界面に到達する位置は、０．３３μｍ／℃の割合で移動する。この結果、入力導波路１１から入力され自由伝搬領域１５を伝搬する光波の第２接続導波路１３への結合効率を変化させることが可能となり、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【００５５】
なお、薄膜ヒータ１６の加熱により、自由伝搬領域１５だけでなく光導波路も加熱され屈折率が変化してしまう場合がある。この場合には、本実施形態のように両部材を構成する材料について熱光学定数が大きく異なるものを使用することにより、一方のみの屈折率を大きく変化させ、両者の屈折率比を変化させることができる。
【００５６】
図４は、本実施形態に係る光可変減衰器の薄膜ヒータ１６への印加電力と減衰量との関係を測定した結果を示す関係図である。同図に示すように、薄膜ヒータ１６へ０．２３Ｗの電力を印加した場合には、約１８ｄＢの減衰量を得ることができた。また、このとき偏波依存性ＰＤＬは０．１ｄＢと非常に小さく、ＴＭ偏波及びＴＥ偏波共に同等の減衰量を得ることができるという、良好な特性であることが分かった。
【００５７】
従来の光減衰方式においては、干渉計アームにおいて熱光学効果により生じる屈折率の変化には偏波依存性が存在していたため、光可変減衰器としてのＰＤＬが生じていた。すなわち、光可変減衰器としてのＰＤＬが生じるのは、干渉計アームにおいて、基板に対して垂直方向及び水平方向に加わる応力が異なることが原因であった。一方、本実施形態に係る光減衰方式では、自由伝搬領域において熱光学効果により生じる屈折率の変化を利用している。ここで、自由伝搬領域では特定の導波路構造を有しないため垂直方向及び水平方向での応力に差はなく、この結果、本実施形態においては熱光学効果による屈折率変化には偏波依存性を生じない。
【００５８】
以上説明する特性から、本実施形態に係る光可変減衰器は、減衰量１５ｄＢ以上、偏波依存性０．２ｄＢ以下という厳しいスペックが要求される光ファイバアンプの利得等化に対しても十分適用することが可能である。
【００５９】
［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの概略外観図である。また、図６は、第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの内部に配設された光可変減衰器チップの概略外観図である。なお、図６に示す光可変減衰器チップについては、機能の説明のため、部分的に透視図とした。
【００６０】
図５に示すように、光可変減衰器モジュール２０は、主として筺体２１と、入力光ファイバ２２と、出力光ファイバ２３と、ヒートシンク２５とからなる。また、図６に示すように、光可変減衰器チップ３０は、シリコン基板３１と、シリコン基板３１の上部に形成した石英３２と、石英３２の中央部に形成した溝３３に充填したシリコーン樹脂３４と、石英３２に形成した入出力導波路３６、３７と、シリコン基板３１の下部に密接させた屈折率変調手段であるペルチェ３５とからなる。
【００６１】
入力光ファイバ２２は、そのコアが入力導波路３６に一致するように接続され、出力光ファイバ２３は出力導波路３７に一致するように接続されている。また、自由伝搬領域となるシリコーン樹脂３４を充填した溝３３は、シリコン基板３１が現れる深さまで形成した。また、入出力導波路３６、３７とシリコーン樹脂３４とは接続導波路を介して接続されており、これらの接続部分は第１の実施形態と同様にして接続されている。更に、接続導波路はモード変換構造とした。
【００６２】
筺体２１にはペルチェ電極２４が配線されており、内部の光可変減衰器チップ３０のペルチェ３５に接続され、光可変減衰器チップの温度を制御するようになっている。更に、光可変減衰器モジュール２０の内部においては、光可変減衰器チップ３０のペルチェ３５がヒートシンク２５に密着するように光可変減衰器チップ３０を配置した。
【００６３】
本実施形態においては、ペルチェ電極２４からの給電によりペルチェ３５から発生した熱は、熱伝導に優れたシリコン基板３１を介してシリコーン樹脂３４に伝わる。この結果、第１の実施形態と同様の作用により、シリコーン樹脂の屈折率ｎ２　と導波路の屈折率ｎ１　との比を変化させることができ、光可変減衰器として作動させることができる。なお、第１の実施形態で説明したように、シリコーン樹脂３４と石英３２との熱光学定数が大きく異なるため、本実施形態においても、主としてシリコーン樹脂３４の屈折率を大きく変化させることができる。
【００６４】
更に、本実施形態に係る光可変減衰器モジュール２０のサイズは３ｃｍ（Ｗ）×２ｃｍ（Ｄ）×１ｃｍ（Ｈ）であり、非常に小型のモジュールとすることができた。
【００６５】
本実施形態では、ペルチェ３５の設定温度を変化させることにより光可変減衰器としての効果を実現した。図７は、環境温度が２５℃の場合におけるペルチェ印加電力と光可変減衰器モジュールの減衰量の関係を示した関係図である。同図に示すように、ペルチェ３５へ０．２３Ｗの電力を印加した場合には、約１８ｄＢの減衰量を得ることができた。また、このとき偏波依存性ＰＤＬは０．１ｄＢと非常に小さく、ＴＭ偏波及びＴＥ偏波共に同等の減衰量を得ることができるという、良好な特性であることが分かった。偏波依存性が生じなくなった理由は、第１の実施形態で説明するとおりである。
【００６６】
本発明に係る光可変減衰器は、自由伝搬領域の屈折率ｎ２　と導波路の屈折率ｎ１　との比を変化させて、光減衰機能を発現させている。
【００６７】
例えば、自由伝搬領域の屈折率ｎ２　と導波路の屈折率ｎ１　との比を変化させる手段としては、例えば、温度を変化させて屈折率を変調させるもの（第１の実施形態に係る薄膜ヒータ、第２の実施形態に係るペルチェ等）、電界をかけて屈折率を変調させるもの、機械的な応力（ひずみ）をかけることで屈折率を変調させるもの等が考えられる。
【００６８】
また、自由伝搬領域の屈折率ｎ２　と導波路の屈折率ｎ１　との比を変化させる方法としては、自由伝搬領域の屈折率ｎ２　を一定に保持すると共に導波路の屈折率ｎ１　を変化させる方法、自由伝搬領域の屈折率ｎ２　を変化させると共に導波路の屈折率ｎ１　を一定に保持する方法、自由伝搬領域の屈折率ｎ２　と導波路の屈折率ｎ１　とを共に変化させる方法が考えられる。
【００６９】
また、自由伝搬領域の屈折率ｎ２　と導波路の屈折率ｎ１　との比を変化させるには、それぞれの部材を形成する材料の有する屈折率の環境依存性が大きく異なる方が良い。
【００７０】
例えば、どちらか一方の部材を環境変化により屈折率が大きく変化する材料で形成すると共に、他方を環境変化により屈折率がほとんど変化しない材料で形成する。また、どちらか一方の部材を環境変化によって屈折率が大きくなる材料で形成すると共に、他方を環境変化により屈折率が小さくなる材料で形成する。屈折率の環境依存性とは、前述した温度変化（加熱及び冷却）、電界変化、機械的ひずみ等の環境変化によってその環境下に置かれた材料の屈折率が変化することで、環境変化が温度変化である場合には熱光学定数（屈折率の温度依存性）となる。
【００７１】
また、上記実施形態では、自由伝搬領域の対向する面（図１，２では自由伝搬領域の左右）に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを接続したが、本発明はこれに限られず、入出力光導波路を自由伝搬領域の同じ面に接続してもよい。この場合には、入出力光導波路が接続されない面にミラー等を設置し、入力用の光導波路から入射された光波がミラーで反射され出力用の光導波路から出力されるようにすること等が考えられる。更に、複数の波長の光波を一つの光可変減衰器で減衰させたい場合には、複数の入力用の光導波路と出力用の光導波路と接続することで対応することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の主たる効果は、大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立する光可変減衰器を実現することができるということである。
【００７３】
第１の発明によれば、屈折率変調手段により自由伝搬領域の屈折率を変化させ、自由伝搬領域において、入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させることにより、出力用の導波路に対する光波の結合効率を変化させ、出力用の導波路から出力される光波の減衰率を変化させることができ、大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立させた光可変減衰器を実現することができる。
【００７４】
第２の発明によれば、第１の発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方を、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することとしたので、伝搬する光波の広がりを抑え、効果的な光減衰効果を得ることができる。
【００７５】
第３の発明によれば、第１又は第２の発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ１（０°≦θ１＜９０°）で入射するように、前記入力用の光導波路を前記自由伝搬領域に接続したので、さらに効果的に大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立させた光可変減衰器を実現することができる。
【００７６】
第４の発明によれば、第１ないし第３のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記自由伝搬領域を、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成したので、例えば、同一の基板上に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを作製し、入出力用の光導波路の間に溝を形成すると共に、充填剤を充填して自由伝搬領域を作製することにより、光可変減衰器の製造工程を簡便にすることができる。
【００７７】
第５の発明によれば、第１ないし第４のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路を、石英系光導波路としたことにより、一般的な材料系において本発明に係る光可変減衰器を適用することができる。
【００７８】
第６の発明によれば、第１ないし第５のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記自由伝搬領域を、シリコーン樹脂から構成したことにより、一般的、かつ安価な材料系において本発明に係る光可変減衰器を適用することができる。
【００７９】
更に、入出力用の光導波路を石英系光導波路とし、自由伝搬領域をシリコーン樹脂から形成することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【００８０】
第７の発明によれば、第１ないし第６のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なる構成すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを熱光学定数が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【００８１】
第８の発明によれば、第１ないし第７のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の電界依存性とが異なる構成、すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の電界依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【００８２】
第９の発明によれば、第１ないし第８のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の機械的な応力依存性とが異なる構成、すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の機械的応力依存性が異なる材料で作製することにより、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【００８３】
第１０の発明によれば、第１ないし第７のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子としたので、さらに入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を容易にし、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【００８４】
第１１の発明によれば、第１ないし第６のいずれか又は第８の発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させる装置としたので、光可変減衰器に熱的ダメージを与えることなく、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を行い、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【００８５】
第１２の発明によれば、第１ないし第６のいずれか又は第９の発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ１　又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ２　の少なくとも一方を変化させる装置としたので、光可変減衰器に熱的ダメージを与えることなく、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を行い、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【００８６】
第１３の発明によれば、第１０の発明に係る光可変減衰器を用いると共に、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させた光可変減衰器モジュールとしたので、高い応答性で屈折率の制御が可能な光可変減衰器モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光可変減衰器の一例の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る光可変減衰器の概略構成図である。
【図３】モード変換構造を有する第１接続導波路と自由伝搬領域との接続部分の拡大図である。
【図４】第１の実施形態に係る光可変減衰器の薄膜ヒータへの印加電力と減衰量との関係図である。
【図５】第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの概略外観図である。
【図６】第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの内部に配設された光可変減衰器チップの概略外観図である。
【図７】第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールにおけるペルチェ印加電力と光可変減衰器モジュールの減衰量との関係図である。
【図８】従来の光可変減衰器の一例の概略構成図である。
【図９】従来の光可変減衰器の減衰量特性の一例を示した特性図である。
【符号の説明】
１　入力導波路
２　第１接続導波路
３　第２接続導波路
４　出力導波路
５　自由伝搬領域
６　屈折率変調器
９　光可変減衰器
１０　光可変減衰器
１１　入力導波路
１２　第１接続導波路
１３　第２接続導波路
１４　出力導波路
１５　自由伝搬領域
１６　薄膜ヒータ
１７　溝
２０　光可変減衰器モジュール
２１　筺体
２２　入力光ファイバ
２３　出力光ファイバ
２４　ペルチェ電極
２５　ヒートシンク
３０　光可変減衰器チップ
３１　シリコン基板
３２　石英
３３　溝
３４　シリコーン樹脂
３５　ペルチェ
３６　入力導波路
３７　出力導波路
１００　光可変減衰器
１０１　入力導波路
１０２　第１光方向性結合器
１０３　第１アーム導波路
１０４　第２アーム導波路
１０５　薄膜ヒータ
１０６　電流源
１０７　第２光方向性結合器
１０８、１０９　出力導波路
【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】
2004145167.tif 000009
【図６】
2004145167.tif 000010
【図７】
2004145167.tif 000011
【図８】
2004145167.tif 000012
【図９】
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