(57)【要約】【課題】チャネル導波路を進行する光強度をモニターし、フィードバックすることのできるコンパクトな構成の光強度制御装置を提供する。【解決手段】光強度制御装置は、基板と、前記基板上に設けられ、スラブ導波路とチャネル導波路とを含む導波路構造と、前記チャネル導波路に設けられ、チャネル導波路中の伝搬光の一部を導波路構造外に取り出す光取り出し部と、前記光取り出し部で取り出された伝搬光の一部の強度を検出する光検出器と、前記光検出器で検出した光強度に基づいて、前記チャネル導波路を伝播する光の強度を制御する制御器と、を有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられ、スラブ導波路とチャネル導波路とを含む導波路構造と、
前記チャネル導波路に設けられ、チャネル導波路中の伝搬光の一部を導波路構造外に取り出す光取り出し部と、
前記光取り出し部で取り出された伝搬光の一部の強度を検出する光検出器と、
前記光検出器で検出した光強度に基づいて、前記チャネル導波路を伝播する光の強度を制御する制御器と、
を有する光強度制御装置。
【請求項２】
前記光取り出し部は、グレーティング、表面荒れ、テーパ構造のいずれかを有する請求項１記載の光強度制御装置。
【請求項３】
前記光検出器は、前記導波路構造に対向する位置に配置されている請求項１または２記載の光強度制御装置。
【請求項４】
さらに、前記導波路構造に対向するように配置された回路基板を有し、前記光検出器は前記回路基板上に配置されている請求項３記載の光強度制御装置。
【請求項５】
前記スラブ導波路は電気光学材料の層を含み、前記制御器は、前記スラブ導波路を挟んで設けられた一対のプリズム形状の電極と、前記回路基盤上に設けられた制御回路とを含み、前記制御回路は前記光検出器の出力に基づき、前記プリズム形状の電極に印加する電圧を制御する請求項４記載の光強度制御装置。
【請求項６】
前記基板はＬｉＮｂＯ３基板であり、前記導波路構造はＬｉＮｂＯ３：Ｔｉ層を含む請求項１〜５のいずれか１項記載の光強度制御装置。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に設けられた導波路構造であって、複数の入力チャネル導波路と、複数の出力チャネル導波路と、前記複数の入力チャネル導波路と前記複数の出力チャネル導波路との間に配置され、前記複数の入力チャネル導波路および前記複数の出力チャネル導波路に共通のスラブ導波路とを含む導波路構造と、
前記各出力チャネル導波路に設けられ、出力チャネル導波路中の伝搬光の一部を導波路構造外に取り出す光取り出し部と、
前記各光取り出し部で取り出された伝搬光の一部の強度を検出する光検出器と、
前記光検出器で検出した光強度に基づいて、前記出力チャネル導波路を伝播する光の強度を制御する制御器と、
を有する光強度制御装置。
【請求項８】
前記光検出器は、前記導波路構造に対向する位置に配置されている請求項７記載の光強度制御装置。
【請求項９】
さらに、前記導波路構造に対向するように配置された回路基板を有し、前記光検出器は前記回路基盤上に配置されている請求項８記載の光強度制御装置。
【請求項１０】
前記スラブ導波路は電気光学材料の層を含み、前記制御器は、前記各入力チャネル導波路、前記各出力チャネル導波路に対応して、前記スラブ導波路を挟んで設けられた一対のプリズム形状の電極と、前記回路基板上に設けられた制御回路とを含み、前記制御回路は前記各光検出器の出力に基づき、対応する前記プリズム形状の電極に印加する電圧を制御する請求項９記載の光強度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速、大容量の信号伝送を必要とする導波路型光デバイスに関し、特にチャネル導波路の光強度を制御する光強度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】複数の入力チャネル導波路と複数の出力チャネル導波路とを用い、入力ー出力間で光信号の伝播経路の変更を行なう場合がある。電気、光学効果材料でプリズムを形成し、印加する電圧を変更するとプリズム機能が変化し、光の進向方向を変更することができる。各チャネル導波路にこのような可変プリズムを組み合わせ、あるチャネル導波路から入力する光信号を対向する複数のチャネル導波路から選択した所望の１つに供給し、光スイッチングを行うことができる。
【０００３】
選択されたチャネル導波路に十分な光量の光信号が供給されているかどうかをモニタすることが望まれる。光量が不足する時は、光の進行方向を可変プリズムで調整することにより、光強度を調整することができる。
【０００４】
図４（Ａ）は、従来技術の光デバイスの構成を概略的に示す。光デバイス５０は、基板上に導波路構造を含む。導波路構造は、入力側のスラブ導波路と、出力側のチャネル導波路とを含む。入力光ＩＮは、スラブ導波路を進行し、制御部５２によってその進行方向が変更される。結合部５３は、スラブ導波路とチャネル導波路との間に配置され、レンズ部を含む。
【０００５】
結合部５３からチャネル導波路に導入された光信号は、チャネル導波路を出射してビームスプリッタ５に入射し、その一部の光は分岐され参照光ＲＥＦとなる。参照光は、入射光の５％程度である。ビームスプリッタ５を直進した光は、出力信号ＯＵＴを形成する。
【０００６】
ビームスプリッタ５で分岐された参照光ＲＥＦは、光検出器ＰＤによって検出される。光検出器ＰＤの出力信号は、制御信号に変換され、制御部５２を制御する。制御部５２で光の進行方向を制御することにより、出力側のチャネル導波路に最大の光信号が入射するように制御がされる。
【０００７】
図４（Ｂ）は、ビームスプリッタ５の構成例を示す。ビームスプリッタ５は、例えば２ｍｍ角のビームスプリッタ素子６１の入力側、出力側にそれぞれコリメートレンズ６０、６２を配置した構成である。コリメートレンズ６０、６２の両側に、それぞれシングルモード光ファイバー６５、６６が配置される。ビームスプリッタ素子６１は、左側から入射する光の約５％を下方に分岐し、ホトダイオードＰＤに入射する。
【０００８】
図４（Ａ）に示すような構成により、チャネル導波路を進行する光強度をモニターすることができるが、光デバイス５０の外側、特に光の進行方向下流にビームスプリッタ５等の光学部材を配置する必要がある。多チャネル光デバイスを構成しようとすると、チャネル毎にビームスプリッタを設ける必要があり、システムが大型化し、高集積化に不向きな構造となってしまう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、チャネル導波路の外側にビームスプリッタを設け、伝播光信号の一部を分岐し、その光強度をモニターしてフィードバックする構成は、大型化してしまい、高集積化に不向きである。
【００１０】
本発明の目的は、チャネル導波路を進行する光強度をモニターし、フィードバックすることのできるコンパクトな構成の光強度制御装置を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、チャネル導波路の外部にビームスプリッタを設ける必要のない光強度制御装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の１観点によれば、基板と、前記基板上に設けられ、スラブ導波路とチャネル導波路とを含む導波路構造と、前記チャネル導波路に設けられ、チャネル導波路中の伝搬光の一部を導波路構造外に取り出す光取り出し部と、前記光取り出し部で取り出された伝搬光の一部の強度を検出する光検出器と、前記光検出器で検出した光強度に基づいて、前記チャネル導波路を伝播する光の強度を制御する制御器と、を有する光強度制御装置が提供される。
【００１３】
本発明の他の観点によれば、基板と、前記基板上に設けられた導波路構造であって、複数の入力チャネル導波路と、複数の出力チャネル導波路と、前記複数の入力チャネル導波路と前記複数の出力チャネル導波路との間に配置され、前記複数の入力チャネル導波路および前記複数の出力チャネル導波路に共通のスラブ導波路とを含む導波路構造と、前記各出力チャネル導波路に設けられ、出力チャネル導波路中の伝搬光の一部を導波路構造外に取り出す光取り出し部と、前記各光取り出し部で取り出された伝搬光の一部の強度を検出する光検出器と、前記光検出器で検出した光強度に基づいて、前記出力チャネル導波路を伝播する光の強度を制御する制御器と、を有する光強度制御装置が提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は、スイッチ機能を有する光デバイスである導波システムＷＧＳの構成を概略的に示す平面図である。導波システムＷＧＳは、入力側に複数の入力チャネルＣＨＩ、出力側に複数の出力チャネルＣＨＯを有し、その間にチャネル切り換え機能を有する切り換えスイッチＳＷを有する。切り換えスイッチＳＷは、各入力チャネルに近接した位置に入力側コントローラＣＬＩを有し、各出力チャネルＣＨＯに近接した位置に出力側コントローラＣＬＯを有する。
【００１５】
各入力側コントローラＣＬＩはたとえば一対の直角プリズムで構成されている。斜辺を平行に配置し、入射面、出射面を入射光と垂直にする。プリズム対の形態はこれに限らない。たとえば上凸のプリズムで入射光を下側に屈折させる機能を付与し、下凸のプリズムで入射光を上側に屈折させる機能を付与する。すなわち、一対のプリズムにより、水平方向から入射する光を上下に走査することができる。出力側コントローラＣＬＯも一対のプリズムで構成され、斜め方向から入射する光を水平方向に戻すことができる。なお、入力、出力を切り換えて使用することもできる。本明細書では一方を入力側と呼んだ時、他方を出力側と呼ぶ。なお、一対のプリズムの代りに１つのプリズムを用いることもできる。
【００１６】
入力チャネルＣＨＩのいずれか１つから入力した光は、対応する入力側コントローラＣＬＩの制御を受け、所望の出力側コントローラに向けて進行方向が変更される。進行した光は、出力側コントローラＣＬＯによって再び進行方向を調整され、出力チャネルＣＨＯに進行する。
【００１７】
図１（Ｂ）は、１つの出力チャネルの近傍の構成を概略的に示す平面図である。導波路構造は、入力側から連続するスラブ導波路ＳＬと、出力側のチャネル導波路ＣＨを含み、その間にレンズ部Ｌが結合されている。スラブ導波路ＳＬの上下には、三角形の制御電極ＣＥが配置されている。三角電極は、たとえば直角を挟む長辺が約５００μｍ、短辺が約１００μｍの直角三角形の形状である。１つの三角電極プリズムを示したが、図１（Ａ）のように２つの三角電極プリズムを用いても良い。
【００１８】
三角電極間に電圧を印加することによって上下電極間に挟まれたスラブ導波路の屈折率が変化する。プリズムの屈折率が変化すると、プリズム作用が変化し、光の進行方向が制御される。
【００１９】
レンズＬは、その平面形状が図に示すように、レンズ状とされており、両側の媒体の屈折率との差により面内でレンズ作用を有する。チャネル導波路ＣＨは、レンズＬの出力側に連続して形成されたストライプ状の導波路であり、その一部表面上にグレーティングＧが形成されている。グレーティングＧの上方には、ホトダイオード等の光検出器ＰＤが配置される。チャネル導波路ＣＨの出力端に近接して、光ファイバーのコアＦＣが配置される。すなわち、チャネル導波路ＣＨを出射した光は、ファイバーコアＦＣに入射する。
【００２０】
グレーティングＧは、入射光を上方（紙面前方）に回折し、ホトダイオートＰＤに入射させる機能を有する。例えば、入力光の約５％を回折させ、９５％を直進させる。
【００２１】
図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示す出力チャネルと、そのフィードバック系を含む構成を示す概略断面図である。基板１０は例えばＬｉＮｂＯ３基板であり、その表面には例えばＬｉＮｂＯ３：Ｔｉで形成された厚さ約１０μｍの高屈折率層１１が形成されている。高屈折率層１１は、導波路を構成すると共に、電界を印加した時に屈折率が変化する電気光学材料の層である。高屈折率層１１の平面形状は、図１（Ａ）に示すようにパターニングされている。
【００２２】
図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）に対応して出力チャネル近傍を示し、左側部分ではスラブ導波路、中間部分で平面状のレンズＬを構成し、右側部分ではストライプ状の出力チャネル導波路ＣＨＯを構成する。スラブ導波路ＳＬの上側及び対応する基板下面には、三角形の制御電極ＣＥが形成される。
【００２３】
制御電極ＣＥは、例えばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）で形成される。導波路の上に直接金属電極を形成すると、ＴＭモードが減衰する現象を生じる。この点からは、ＩＴＯ等の透明材料を用いることが好ましい。但し、高屈折率層の上にさらに低屈折率のクラッド層を設けた場合、その上に形成する電極はＡｌ等の金属でも良い。
【００２４】
チャネル導波路ＣＨＯの上面の一部には、グレーティングＧがエッチング等によって形成されており、チャネル導波路ＣＨＯを進行する光を上方に回折させる。基板１０の上方には、印刷回路基盤ＰＢが配置される。印刷回路基盤ＰＢには、ホトダイオードＰＤが設けられている。回折格子Ｇの回折光が入射する位置に、ホトダイオートＰＤが配置される。
【００２５】
又、三角形の制御電極ＣＥに電圧を供給するよう、制御電極ＣＥの上面に、ハンダバンプＳＢが配置され、回路基板ＰＢ上の配線に接続される。回路基板ＰＢには、制御回路ＣＴＬ及び駆動回路ＤＲが載置されおり、ホトダイオートＰＤの出力信号が制御回路ＣＴＬで制御され、駆動回路ＤＲに供給され、制御電極ＣＥを駆動する電圧が作成される。なお、出力側の制御電極のみでなく、入力側の制御電極にもフィードバック制御を行うようにしてもよい。
【００２６】
導波路構造の右側に近接して、光ファイバーのコアＦＣが配置される。ビームスプリッターをあらためて配置する必要がないため、構成を小型化するのに適している。さらに、グレーティングＧで回折された分岐光は、上方に進行してホトダイオートＰＤに入射する。このため、ホトダイオートＰＤは制御電極ＣＥにより近い位置に配置される。回路基盤ＰＢ上に制御回路ＣＤＬ、駆動回路ＤＲを設けることにより、フィードバック制御系を小面積内にまとめ、基板１０上方に配置することが可能となる。
【００２７】
図２（Ａ）〜（Ｅ）は、図１（Ｂ）に示すような導波路構造を有する光デバイスの製造方法を説明する断面図及び平面図である。
図２（Ａ）に示すように、ｚ−カットのＬｉＮｂＯ３基板１０の表面上にＴｉ層１１を、例えばスパッタリングにより、形成する。Ｔｉ層１１は、例えば厚さ５０ｎｍである。
【００２８】
図２（Ｂ）に示すように、基板１０を空気中で１０時間、１１００℃に加熱する。Ｔｉ層１１からＴｉがＬｉＮｂＯ３基板１０内に拡散し、その表面に深さ約１０μｍのＬｉＮｂＯ３：Ｔｉ（Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ３）層１２を形成する。ＬｉＮｂＯ３：Ｔｉ層１２は、ＬｉＮｂＯ３基板１０よりも屈折率が高く、電気光学効果を示す材料である。
【００２９】
図２（Ｃ）に示すように、必要に応じてＬｉＮｂＯ３：Ｔｉ層１２の上に、例えば厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２層１３をプラズマＣＶＤにより形成する。なお、ＳｉＯ２層１３は、クラッド層となるが、省略してもよい。以下の説明に置いては、ＳｉＯ２層１３は無い場合を例にとって説明する。
【００３０】
図２（Ｄ）に示すように、レジストマスクを用いて導波路層１２のパターニングを行う。図中左側には例えば矩形状のスラブ導波路ＳＬを残し、中央部にはスラブ導波路ＳＬに対向する部分に円弧状の境界を有し、右側には直線状の境界を有するレンズ部Ｌをパターニングし、レンズ部Ｌの出力側にチャネル導波路ＣＨをパターニングする。なお、このドライエッチングは、基板１０も若干エッチングするが、機能的には問題は生じない。
【００３１】
図２（Ｅ）に示すように、導波路層のスラブ導波路部分表面上に例えばＩＴＯ層をスパッタリングで形成し、レジストパターンを用いてドライエッチングによりＩＴＯ層をパターニングする。このようにして、スラブ導波路ＳＬ上に三角形の制御電極ＣＥを形成する。なお、基板下面にも対応する位置に三角形の制御電極を形成する。
【００３２】
レジストマスクを用いて、チャネル導波路ＣＨの一部表面上に、回折格子パターンをエッチングする。回折格子Ｇの格子定数は、所望の方向に回折光を生じさせるように選択する。グレーティングＧの作成方法は、２光束干渉法など公知のグレーティング作成方法を用いることができる。なお、回折させる光強度は、入射光強度の５％程度である。回折格子の深さ等を調整して回折光強度を調整する。
【００３３】
このようにして、図１（Ｃ）に示す光デバイスの基板側構造が作成される。基板と対向して配置するホトダイオートＰＤとしては、例えばＩｎＧａＡｓを活性層として有するホトダイオートを用いることができる。制御回路ＣＴＬ、駆動回路ＤＲは、たとえばそれぞれ別チップの半導体集積回路で構成される。なお、両回路を一体として含む制御用集積回路を用いてもよい。
【００３４】
なお、グレーティングを用いてチャネル導波路を進行する光を分岐させる場合を説明したが、光を分岐させる機構はグレーティングに限定されない。
図３（Ａ）は、上下クラッド層ＣＬ１、ＣＬ２に挟まれたコア層Ｃを進行する光を上方に取り出す機構としてコア層Ｃの表面に荒れＲを形成した場合を示す。表面荒れＲは、光散乱源となり、入射する光を上方にも散乱させる。散乱させた光の一部しか所望方向に進行させることができないが、グレーティングよりも簡単に作成することができる。
【００３５】
図３（Ｂ）は、光取り出し機構の他の例を示す。上下クラッド層ＣＬ１、ＣＬ２に挟まれたコア層Ｃの下側表面が、上方に持ち上がったテーパ構造を形成している。すなわち、コア層Ｃと下側クラッドＣＬ１の光学界面が、テーパ部分において上方に屈曲し、入射する光を上方に向けて反射し、コア層Ｃ外部に導出する。なお、コア層Ｃの下側界面を上方に突出させる場合を説明したが、他の構成とすることもできる。
【００３６】
図３（Ｃ）は、コア層Ｃの上側界面を下方に突出させたテーパ構造を示す。この構成は、コア層Ｃをエッチングすることにより容易に実現することができる。入射する光を屈折により上方に進行させる。
【００３７】
導波路層は、少なくともそのプリズム部分を、電気光学効果を有する材料で形成する必要がある。電気光学効果を有する材料としては、以下のようなものが知られている。
【００３８】
【表１】
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これらの材料から２種を選択し、屈折率の高いほうを導波路層とし、低い方をクラッド層とすることができる。なお、クラッド層は電気光学材料でなくてもよい。空気をクラッド層とすることもできる。
【００３９】
コントローラは、光の進行方向を制御できるものであればよい。直角プリズムの他種々のプリズムを用いることができる。入射光を斜めに受ける１つの光学界面でもよい。プリズムを用いる場合もその数は任意に増減してよい。プリズム制御用の電極は上下でその材料を変えてもよい。
【００４０】
チャネル導波路の配置も種々に変更できる。２組の複数のチャネル導波路を対向させる場合に限らず、１つのチャネル導波路と複数のチャネル導波路を対向させてもよい。スラブ導波路の周囲に複数のチャネル導波路を配置してもよい。
【００４１】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、チャネル導波路の一部に光分岐構造を形成し、その上方に光検出器を配置できるので、光強度制御装置を小型化することが容易になる。
【００４３】
多チャネル光デバイスを高集積度で形成することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による光デバイスの構成を示す平面図及び断面図である。
【図２】図１（Ｂ）に示す光導波路構造の製造方法を示す断面図及び平面図である。
【図３】本発明の他の実施例による光取り出し機構を概略的に示す断面図である。
【図４】従来の技術による光強度制御装置の構成を概略的に示すブロック図及び断面図である。
【符号の説明】
ＷＧＳ　導波システム
ＣＨＩ　入力チャネル
ＣＨＯ　出力チャネル
ＳＷ　切り換えスイッチ
ＣＬＩ　入力側コントローラ
ＣＬＯ　出力側コントローラ
ＳＬ　スラブ導波路
ＣＨ　チャネル導波路
ＣＥ　制御電極
Ｌ　レンズ部
ＰＤ　光検出器（ホトダイオード）
ＦＣ　ファイバのコア
Ｇ　グレーティング
ＰＢ　回路基盤
ＣＴＬ　制御回路
ＤＲ　駆動回路
１０　ＬｉＮｂＯ３基板
１１　Ｔｉ層
１２　ＬｉＮｂＯ３：Ｔｉ層
１３　ＳｉＯ２層
Ｒ　表面荒れ
Ｔ　テーパ構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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