(57)【要約】【課題】生産性を低下させることなく偏波依存損失の小さな導波路型光可変減衰器を提供する。【解決手段】光導波路１０１が二つの方向性結合器１０２、１０２を用いたマッハツェンダ干渉計を構成するとともに、前記光導波路１０１の上面に熱光学効果により光の位相を変化するための薄膜ヒータ１０４を配置し、さらに前記二つの方向性結合器１０２、１０２間の光導波路である二つのアーム導波路１０８、１０９のうち、一方のアーム導波路１０９の一部を太幅導波路１０７としてこのアーム導波路１０９の複屈折値を所定の値に調整した。【選択図】  図１
2004170657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成した導波路が二つの結合器を用いたマッハツェンダ干渉計を構成しており、前記導波路の上面に熱光学効果により光の位相を変化する熱光学移相器であるヒータを配置した導波路型光可変減衰器において、
二つの結合器に挟まれたアーム導波路の複屈折値を所定の値に調整したことを特徴とする導波路型光可変減衰器。
【請求項２】
請求項１に記載する導波路型光可変減衰器において、
アーム導波路の複屈折は、導波路幅を変化することによって調整したものであることを特徴とする導波路型光可変減衰器。
【請求項３】
請求項１に記載する導波路型光可変減衰器において、
アーム導波路の複屈折は、アーム導波路付近へレーザ光を照射することによって調整したものであることを特徴とする導波路型光可変減衰器。
【請求項４】
請求項１に記載する導波路型光可変減衰器において、
アーム導波路の複屈折は、アーム導波路の上方に配置した薄膜ヒータを加熱し、局所的に熱することによって恒久的に調整するものであることを特徴とする導波路型光可変減衰器。
【請求項５】
請求項１に記載する導波路型光可変減衰器において、
アーム導波路の複屈折は、アーム導波路付近に応力付与膜を配置することによって調整したものであることを特徴とする導波路型光可変減衰器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の強度を制御するための導波路型光可変減衰器に関し、特にその偏波依存損失を抑制したものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光ネットワークにおいて、光強度をダイナミックに変化させる可変光減衰器の役割は重要になっている。特に、熱光学効果を用いた平面光導波型可変光減衰器（以後、熱光学型ＶＯＡ）は、アレイ導波路格子合分波器を代表とする他の平面光導波型回路と集積が可能であり、さらに、駆動部分を持たないため信頼性に優れるなどの特徴を有している。
【０００３】
しかしながら、この熱光学型ＶＯＡでは、印加電力に伴って増大する偏波依存損失（以後、ＰＤＬ）が大きな問題となっている。すなわち、熱光学型ＶＯＡはマッハツェンダ干渉計からなり、位相シフト回路として薄膜ヒータをアーム導波路上部に配置している。この薄膜ヒータの発熱による局所的な温度上昇によって、熱光学効果を介して、実効屈折率を変化させる。一方、薄膜ヒータを駆動させた時、ガラスもしくは薄膜ヒータの熱膨張によって応力も誘起される。この応力によって光弾性効果を介してわずかに実効屈折率が変化する。このときの応力はコアに対して均一に発生しないため、偏波によってその光弾性効果の大きさに差ができ、これがＰＤＬの発生原因となる。
【０００４】
従来、このＰＤＬの抑制法として、「応力開放溝つき熱光学型ＶＯＡ」や「１／２波長板を用いた熱光学型ＶＯＡ」が提案されている。第１の従来技術としては、図９に示すように、ＰＤＬの原因となるヒータ駆動時の応力誘起を抑制するため、薄膜ヒータ９０４の両側に応力開放溝９０３を作製した「応力開放溝つき熱光学型ＶＯＡ」（２００１年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−６４「ＰＬＣ型可変光減衰器の低ＰＤＬ化」）がある。なお、図９中、９０１は光導波路、９０２は３ｄＢ方向結合器、９０５ａ，９０５ｂは入力導波路端、９０６ａ、９０６ｂは出力導波路端である。
【０００５】
また、この種の第２の従来技術は、図１０に示すように、アーム導波路の中央に１／２波長板１００３を挿入し、１／２波長板１００３より前半の光導波路１００１と後半の導波路１００１で、ＴＥ偏波とＴＭ偏波を反転させて、偏波依存性をキャンセルした「１／２波長板を用いた熱光学型ＶＯＡ」（特願２００１−６７７６「偏波無依存導波路型光回路」）である。なお、図１０中、１００２は３ｄＢ方向結合器、１００３は１／２波長板、１００４は薄膜ヒータ、１００５ａ，１００５ｂは入力導波路端、１００６ａ、１００６ｂは出力導波路端である。
【０００６】
【特許文献１】
２００１年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−６４「ＰＬＣ型可変光減衰器の低ＰＤＬ化」
【０００７】
【特許文献２】
特願２００１−６７７６号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如き熱光学型ＶＯＡでは以下に述べる問題を有していた。
【０００９】
図９に示す第１の従来技術である「応力開放溝つき熱光学型ＶＯＡ」では、応力開放溝を作製するのに丸一日以上必要であり、量産する工程ではこのような長時間にわたる工程は著しく生産性を低下させる。さらに、ＰＤＬを低減するためにはコアとわずかなクラッドのみを残すことになり信頼性に問題がある。
【００１０】
図１０に示す第２の従来技術である「１／２波長板を用いた熱光学型ＶＯＡ」では、１／２波長板１００３を挿入するための溝を導波路を分断して作製する必要があり原理的な過剰損失がある。さらに、１／２波長板１００３を挿入する工程は全て手作業で行っており、このような工程は生産性を低下させる。
【００１１】
本発明は、上記従来技術に鑑み、生産性を低下させることなくＰＤＬの小さな熱光学型のＶＯＡを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【００１３】
１）  基板上に形成した導波路が二つの結合器を用いたマッハツェンダ干渉計を構成しており、前記導波路の上面に熱光学効果により光の位相を変化する熱光学移相器であるヒータを配置した導波路型光可変減衰器において、
二つの結合器に挟まれたアーム導波路の複屈折値を所定の値に調整したこと。
【００１４】
２）  請求項１に記載する導波路型光可変減衰器において、
アーム導波路の複屈折は、導波路幅を変化することによって調整したものであること。
【００１５】
３）  請求項１に記載する導波路型光可変減衰器において、
アーム導波路の複屈折は、アーム導波路付近へレーザ光を照射することによって調整したものであること。
【００１６】
４）  請求項１に記載する導波路型光可変減衰器において、
アーム導波路の複屈折は、アーム導波路の上方に配置した薄膜ヒータを加熱し、局所的に熱することによって恒久的に調整するものであること。
【００１７】
５）  請求項１に記載する導波路型光可変減衰器において、
アーム導波路の複屈折は、アーム導波路付近に応力付与膜を配置することによって調整したものであること。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１９】
以下の説明における実施の形態では光導波路としてシリコン基板上に形成された石英系光導波路を例にとって説明する。これは、この組み合わせが安定で信頼性に優れた光導波路デバイスを作製するのに適しているからである。しかしながら、本発明はこの組み合わせに限定されるものではなく、他の材料を用いた基板、他の材料を用いた光導波路であっても無論構わない。
【００２０】
［第１の実施の形態］
図１は本形態に係る熱光学型ＶＯＡの概略構成を示す構造図である。同図において、１０１は光導波路、１０２は３ｄＢ方向性結合器、１０３は配線、１０４は薄膜ヒータ、１０５ａ，１０５ｂは入力導波路端、１０６ａ，１０６ｂは出力導波路端、１０７は太幅導波路、１０８は第１のアーム導波路、１０９は第２のアーム導波路を示している。
【００２１】
一方、図２は、従来技術に係る熱光学型ＶＯＡの概略構成を示す構造図であって、２０１は光導波路、２０２は３ｄＢ方向性結合器、２０３は配線、２０４は薄膜ヒータ、２０５ａ，２０５ｂは入力導波路端、２０６ａ，２０６ｂは出力導波路端を示している。
【００２２】
光導波路１０１、２０１は、いずれも比屈折率差が０．７５％で、サイズは７×７ミクロンとした。
【００２３】
先ず、図２に基づき熱光学型ＶＯＡとしての動作原理を説明する。薄膜ヒータ２０４に無通電のときは、２本のアーム導波路２０６，２０７を伝搬する光の光路長差はゼロであり、公知の干渉原理により、入力導波路端２０５ａから入った信号光は出力導波路端２０６ｂに伝搬する。
【００２４】
次に、薄膜ヒータ２０４へ通電して、前記光路長差を熱光学効果により信号光波長の４分の１相当分変化させると、入力導波路端２０５ａから入った信号光のうち５０％が出力導波路端２０６ｂへ伝搬する。
【００２５】
さらに、薄膜ヒータ２０４へ通電して、前記光路長差を信号光波長の２分の１相当分変化させると、入力導波路端２０５ａから入った信号光は全て出力導波路端２０６ａへ伝搬する。したがって、出力導波路端２０６ｂへ信号光は伝搬しない。
【００２６】
つまり、薄膜ヒータ２０４へ通電する電力を制御し、光路長差をゼロから信号光波長の２分の１相当まで所望の値に設定することによって、出力導波路２０６ｂへ伝搬する光強度を所望の値に調整することができる光可変減衰器として動作する。
【００２７】
次に、図２に基づきＰＤＬの発生原因について説明する。薄膜ヒータ２０４に無通電のときはＴＥ偏波・ＴＭ偏波ともに前記の光路長差はゼロであり、公知の干渉原理により、入力導波路端２０５ａから入った信号光は全て出力導波路端２０６ｂへ伝搬する。光導波路内では、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波が独立に伝搬するためＰＤＬはＴＥ偏波とＴＭ偏波の差として良い。したがって、この場合ＰＤＬは発生しない。
【００２８】
薄膜ヒータ２０４へ通電した場合、その発熱によってガラスが温められ、熱光学効果を介して実効屈折率が上昇する。この熱光学効果による実効屈折率変化はＴＥ偏波・ＴＭ偏波に対して同等であるため、ＰＤＬの発生原因にはならない。
【００２９】
一方、ガラスの熱膨張と薄膜ヒータ２０４自身の熱膨張によってガラスへ応力が誘起される。これらの応力によっても、光弾性効果を介してわずかに実効屈折率が変化する。これらの応力はコアに対して均一に発生しないため、偏波によって前述の光弾性効果の影響が異なる。この結果、薄膜ヒータ２０４に通電した際の実効屈折率変化（光路長変化）に偏波依存性が生じＰＤＬが発生する。
【００３０】
かかるＰＤＬを低減するため、本発明では薄膜ヒータ１０４に適当な電力を通電した時に、ＰＤＬが最小となるよう第２のアーム導波路１０９の複屈折を調整した。
【００３１】
次に、ＰＤＬを低減する原理を数式と図１に基づき説明する。例えば、薄膜ヒータ１０４にある電力Ｐを与えた場合、入力導波路端１０５ａから入射し、出力導波路端１０６ｂへ導かれる光透過率Ｔは次式（１）で与えられる。
【００３２】
【数１】
2004170657.tif 000003
【００３３】
ここで、ｋは熱光学効果および光弾性効果による位相シフト係数であり、δφは二本のアーム導波路１０８，１０９の初期位相差である。前述した通り、薄膜ヒータ１０４の発熱によって誘起される応力はコアに対して均一でないため、ＴＥ偏波もしくはＴＭ偏波に対してそれぞれ異なる位相シフト係数（ｋＴＥ，ｋＴＭ）を有している。その結果、ある電力Ｐにおいて光透過率に偏波依存性が生じ、その差がＰＤＬとして観測される。さらに、特徴としてこのＰＤＬは光透過率が小さい時により顕著に大きくなる。
【００３４】
そこで本発明では、ある電力Ｐ′においてＰＤＬがゼロとなるよう、ＴＥ偏波とＴＭ偏波におけるアーム導波路間の初期位相差（δφＴＥ，δφＴＭ）を調整しＰＤＬを抑制する。
【００３５】
式で扱えば、上式（１）より、ある電力Ｐ′において次式（２）を満たせばＰＤＬを低減できる。
【００３６】
【数２】
2004170657.tif 000004
【００３７】
本形態では、複屈折の調整手法として複屈折の導波路幅依存性（特願２０００−３２１６６７）を用いている。よって、δφは次式（３）で表される。
【００３８】
【数３】
2004170657.tif 000005
【００３９】
上式（２），（３）より、光導波路１０１の幅、太幅導波路１０７の長さおよび二本のアーム導波路１０８，１０９の長さの差を適当に選ぶことで所望の熱光学型ＶＯＡが実現できる。具体的には、太幅導波路１０７の幅を１２ミクロン、細幅の導波路１０１の幅を７ミクロン、太幅導波路１０７の長さを１５０ミクロンとした。
【００４０】
従来技術に係る熱光学型ＶＯＡ及び本形態に係る熱光学型ＶＯＡに関する、クロスパス（例えば、図１における入力導波路端１０５ａから出力導波路１０６ｂに至るパス乃至図２における入力導波路端２０５ａから出力導波路２０６ｂに至るパス）への光透過率の消費電力依存性を図３（ａ）（ｂ）に示す。また、同様に、従来技術及び本発明の熱光学型ＶＯＡに関するクロスパスのＰＤＬの減衰量依存性を図４（ａ）（ｂ）に示す。
【００４１】
図４を参照すれば、１５ｄＢ減衰時のＰＤＬは従来の熱光学型ＶＯＡが約３ｄＢであるのに対して、本形態では約０．７ｄＢとなっており、大きく低減できることが分かる。
【００４２】
また、本形態においては次のようなメリットも得る。
１）  ＰＤＬを低減するにあたって、過剰損失がない。
２）  設計によって導波路幅が調整できるため、ＰＤＬを低減するにあたって、追加のプロセスがない。従って、作製時間を大幅に短縮できる。
【００４３】
［第２の実施の形態］
図５は本形態に用いたレーザトリミング装置の概略構成図であって、５０１はＮｄ：ＹＡＧレーザ、５０２はレンズ、５０３は上部クラッド、５０４はコア、５０５は下部クラッド、５０６は基板、５０７はＹＡＧレーザ照射によって応力が開放される個所を示している。レーザの波長は０．５３２μｍ、照射範囲は３０ミクロン×３０ミクロンである。
【００４４】
このレーザトリミング装置を用いて複屈折調整を行った熱光学型ＶＯＡを作製した。図６はその熱光学型ＶＯＡの概略構成を示す構造図である。同図において、６０１は光導波路、６０２は３ｄＢ方向性結合器、６０３は配線、６０４は薄膜ヒータ、６０５ａ，６０５ｂは入力導波路端、６０６ａ，６０６ｂは出力導波路端、６０７はＹＡＧレーザ照射を行った個所を示している。基板や光導波路は第１の実施の形態と同様である。
【００４５】
ＰＤＬを抑制するには、第１の実施の形態と同様に式（２）を満たせば良い。ここで、δφは次式（４）のように表すことができる。
【００４６】
【数４】
2004170657.tif 000006
【００４７】
よって、上式（２）、（４）を満たすよう、複屈折の変化量と照射する長さを適当に選べばよい。本形態では、ＹＡＧレーザ照射は同一のアーム導波路に計９箇所、約２７０ミクロンの長さに渡って照射した。
【００４８】
図７（ａ）（ｂ）は複屈折の調整前後におけるクロスパス（図６における入力端導波路６０５ａから出力端導波路６０６ｂに至るパス）の光透過率の消費電力依存性、図８（ａ）（ｂ）は複屈折の調整前後におけるクロスパスのＰＤＬの減衰量依存性を示す。
【００４９】
図８を参照すれば、１５ｄＢ減衰時のＰＤＬは複屈折調整前が約３．１ｄＢに対して、複屈折調整後は約１．１ｄＢであり大きく低減できることが分かる。
【００５０】
本形態では複屈折の調整にＹＡＧレーザを用いた。これは、微小な領域に簡便に照射することができるからである。しかしながら、このＹＡＧレーザに限定されるものではなく、紫外線レーザや炭酸ガスレーザなどが複屈折調整が行えるレーザであれば何を用いても構わない。
【００５１】
本形態においては、次のようなメリットを得る。
１）  ウエハを作製した後であってもＰＤＬの特性を改善することができる。従って、たとえば３２連熱光学型ＶＯＡアレイなど大規模なもので、１連のみの特性が悪い場合などにおいて非常に有効であり、多連熱光学型ＶＯＡの歩留まりを大幅に向上できる。
２）ＰＤＬを低減するにあたって、過剰損失がない。
３）ＰＤＬを低減するにあたって、溝を作製する必要がなく、作製時間を短縮できる。
【００５２】
本形態において、複屈折調整としてレーザ照射を用いたが、例えば以下のような複屈折調整手法を用いても、同様な効果を有する導波路型光可変減衰器を得ることができる。
【００５３】
１）  応力付与膜を導波路の上部に配置し、導波路に誘起される応力を変化させて複屈折を制御する手法（河内正夫：「石英系導波路と集積光部品への応用」、光学第１８巻第１２号（１９８９）ｐｐ．６８１−６８６）
【００５４】
２）  導波路上部付近に配置した薄膜ヒータを局所的に加熱して恒久的に実効屈折率もしくは複屈折を制御する手法
【００５５】
また、上記第１及び第２の実施の形態では、光導波路としてシリコン基板上に形成された石英系光導波路を用いて、位相制御器として、薄膜ヒータを用いた熱光学型ＶＯＡを例にとって説明した。これは、このＶＯＡが安定に動作し、広く商用的に使用されているためである。しかしながら、たとえば光導波路として、大きな電気光学効果を有する光導波路を用い、位相制御器として、導波路に電界を発生するための信号電極および接地電極を用いた、マッハツェンダ干渉計から構成される電気光学型ＶＯＡなどにおいても適用可能であることは明白である。
【００５６】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに詳細に説明した通り、本発明によれば、ＰＤＬを低減することが可能となる。しかも、このＰＤＬの低減するための構造を短時間で形成し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱光学型のＶＯＡを示す概略構成図である。
【図２】図１に示すＶＯＡに対応する従来技術に係るＶＯＡを示す概略構成図である。
【図３】従来技術及び第１の実施の形態に係る熱光学型ＶＯＡに関するクロスパスへの光透過率の消費電力依存性を示す図で、（ａ）は従来技術、（ｂ）は第１の実施の形態に係る特性図である。
【図４】従来技術及び第１の実施の形態に係る熱光学型ＶＯＡに関する、ＰＤＬの減衰量依存性を示す図で、（ａ）は従来技術、（ｂ）は第１の実施の形態に係るＶＯＡの特性図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るＶＯＡ適用するレーザトリミングの態様を示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る熱光学型のＶＯＡを示す概略構成図である。
【図７】第２の実施の形態に係るＶＯＡの透過率の消費電力依存性を示す特性図で、（ａ）が複屈折の調整前、（ｂ）複屈折の調整後の特性である。
【図８】第２の実施の形態に係るＶＯＡの減衰量依存性を示す特性図で、（ａ）が複屈折の調整前、（ｂ）が複屈折の調整後である。
【図９】従来技術に係るＰＤＬを低減した熱光学型ＶＯＡの一例を示す概略構成図である。
【図１０】従来技術に係るＰＤＬを低減した熱光学型ＶＯＡの他の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０１，２０１，６０１，９０１，１００１  光導波路
１０２，２０２，６０２，９０２，１００２  ３ｄＢ方向性結合器
１０３，２０３，６０３  配線
１０４，２０４，６０４，９０４，１００４  薄膜ヒータ
１０５ａ−ｂ，２０５ａ−ｂ，６０５ａ−ｂ，９０５ａ−ｂ，１００５ａ−ｂ
入力導波路端
１０６ａ−ｂ，２０６ａ−ｂ，６０６ａ−ｂ，９０６ａ−ｂ，１００６ａ−ｂ
出力導波路端
１０７  太幅導波路
１０８，１０９  アーム導波路
５０１  Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
５０２  レンズ
５０３  上部クラッド
５０４  コア
５０５  下部クラッド
５０６  基板
５０７  応力が開放される個所
６０７  ＹＡＧレーザを照射した個所
９０３  応力開放溝
１００３  １／２波長板
【図１】
2004170657.tif 000007
【図２】
2004170657.tif 000008
【図３】
2004170657.tif 000009
【図４】
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【図５】
2004170657.tif 000011
【図６】
2004170657.tif 000012
【図７】
2004170657.tif 000013
【図８】
2004170657.tif 000014
【図９】
2004170657.tif 000015
【図１０】
2004170657.tif 000016