(57)【要約】【課題】小さな温度変化により光の位相を変化させることができる熱光学位相変調器および当該熱光学位相変調器を用いた熱光学強度変調器の提供。【解決手段】光導波路のコアの温度を変化させて当該コアを伝播する光の位相を変化させる熱光学位相変調器であって、当該コアが、下記式で定義されるｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が３．０×１０−５／℃以上であるガラスからなることを特徴とする熱光学位相変調器および当該を用いた熱光学強度変調器。ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５＝ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５＋ｎ１５５０・α−５〜６５上記式において、ｎ１５５０は、波長１５５０ｎｍの光に対する２５℃における屈折率を示す。ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５は、波長１５５０ｎｍの光に対する屈折率の−５〜６５℃における平均温度変化率を示す。α−５〜６５は、−５〜６５℃における平均線膨張係数を示す。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路のコアの温度を変化させて当該コアを伝播する光の位相を変化させる熱光学位相変調器であって、
当該コアが、下記式で定義されるｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が３．０×１０−５／℃以上である酸化物ガラスからなることを特徴とする熱光学位相変調器。
ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５＝ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５＋ｎ１５５０・α−５〜６５
上記式において、ｎ１５５０は、波長１５５０ｎｍの光に対する２５℃における屈折率を示す。ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５は、波長１５５０ｎｍの光に対する屈折率の−５〜６５℃における平均温度変化率を示す。α−５〜６５は、−５〜６５℃における平均線膨張係数を示す。
【請求項２】
当該酸化物ガラスがＢｉ２Ｏ３を含有する請求項１に記載の熱光学位相変調器。
【請求項３】
当該酸化物ガラスにおけるＢｉ２Ｏ３の含有量が１０〜８０モル％である請求項１又は２に記載の熱光学位相変調器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の熱光学位相変調器を有する熱光学強度変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光情報処理用の機器等に用いられる光学部品、特に、熱光学強度変調器、熱光学スイッチに適用可能な熱光学位相変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信ネットワークの光化に向けて、光機能デバイスの高機能化や小型化・低コスト化に関する研究開発が盛んに行われている。現在導入が進められている波長多重（ＷＤＭ）伝送システムでは、光クロスコネクトシステムや光アド・ドロップ多重システムの開発が進められている。これらのシステムには光分波機能の他に光路の切り替え機能が必要である。現在、このような切り替え機能は光を電気に変換して行っている。しかし、光通信がもつ高速、広帯域という特徴を活かすネットワークを実現するためには、光を光のまま空間的に切り替える必要がある。そのようなデバイスとして、熱光学効果とマッハツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計構造を組み合わせた熱光学強度変調器、熱光学スイッチがある。現在、提案されている熱光学スイッチは石英系ガラス導波路を用いた熱光学スイッチであり、非特許文献１および２にて、８×８や１６×１６規模のマトリックス光スイッチが報告されている。
【０００３】
熱光学スイッチの最も基本となる回路は２×２スイッチである。２本の導波路アーム間の位相差Δφは、長さＬ、単位長さ当りの光路長変化ｄＳ／ｄＴ、導波路アーム間の温度差ΔＴ、光の波長λにより以下の式で表せる。
Δφ＝２π・Ｌ・ｄＳ／ｄＴ・ΔＴ／λ
また、ｄＳ／ｄＴは熱膨張係数α、屈折率ｎ、屈折率温度変化ｄｎ／ｄＴにより以下の式で表される。
ｄＳ／ｄＴ＝ｄｎ／ｄＴ＋ｎ・α
従って、石英系ガラス導波路を用いた熱光学スイッチの場合、Ｌ＝５ｍｍ、ｄｎ／ｄＴ＝９×１０−６／℃、ｎ＝１．４４、α＝４．３×１０−７／℃、λ＝１５５０ｎｍとすると、スイッチングには約１５℃が必要となる。
このような熱光学スイッチは、（Ｍ×Ｎ）個組み合わせてＭ×Ｎマトリックススイッチを構成することができるが、大規模なマトリックススイッチ、例えば１６×１６マトリックススイッチを構成する場合には、２５６個の熱光学スイッチが必要になるため、消費電力の増大が深刻な問題であり、より省電力な光スイッチ、即ち、より小さな温度差でスイッチングが可能な熱光学スイッチが望まれている。
また、石英系ガラス導波路を用いた熱光学スイッチの場合、応答速度は非常に遅く、１〜３ｍｓ程度であった。この応答速度も速くする点でも小さな温度差でスイッチングが可能な熱光学スイッチが望まれていた。
すなわち、これらの熱光学スイッチを可能とする、より小さな温度差で光の位相を変化させる熱光学位相変調器が望まれていた。
【０００４】
【非特許文献１】
ジャーナル・オブ・ライトウエイブ・テクノロジー（Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．）（ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ），１９９９年，第１７巻，第７号，ｐ．１１９２−１１９９
【非特許文献２】
アイイーイーイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ（ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ），１９９８年，第１０巻，第６号，ｐ．８１０−８１２
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
小さな温度変化により光の位相を変化させることができる熱光学位相変調器および当該熱光学位相変調器を用いた熱光学強度変調器の提供。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）光導波路のコアの温度を変化させて当該コアを伝播する光の位相を変化させる熱光学位相変調器であって、
当該コアが、下記式で定義されるｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が３．０×１０−５／℃以上である酸化ガラスからなることを特徴とする熱光学位相変調器。
ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５＝ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５＋ｎ１５５０・α−５〜６５
上記式において、ｎ１５５０は、波長１５５０ｎｍの光に対する２５℃における屈折率を示す。ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５は、波長１５５０ｎｍの光に対する屈折率の−５〜６５℃における平均温度変化率を示す。α−５〜６５は、−５〜６５℃における平均線膨張係数を示す。
（２）上記（１）の熱光学位相変調器を有する熱光学強度変調器。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の熱光学位相変調器は、波長１５５０ｎｍの光に対する２５℃における屈折率ｎ１５５０（以下、ｎ１５５０という。）、波長１５５０ｎｍの光に対する屈折率の−５〜６５℃における平均温度変化率ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５（以下、ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５という。）および−５〜６５℃における平均線膨張係数α−５〜６５（以下、α−５〜６５という。）を用いて下記式で表されるｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５（以下、ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５という。）が３．０×１０−５／℃以上である酸化ガラス（以下、本発明のガラスという。）からなるコアを有する光導波路を有するものである。
ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５＝ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５＋ｎ１５５０・α−５〜６５
この光導波路は光を伝播させる媒体であって、光ファイバ、基板上または基板内部に形成された平面光導波路が例示され、形状は限定されない。
【０００８】
本発明のガラスはｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が３．０×１０−５／℃以上であり、波長が４００〜１８００ｎｍの光に対する光路長の温度変化による変化が大きい。ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５は、好ましくは３．２×１０−５／℃以上、より好ましくは３．５×１０−５／℃以上、特に好ましくは４．０×１０−５／℃以上である。
本発明のガラスはα−５〜６５が１７０×１０−７／℃以下であることが好ましい。１７０×１０−７／℃超では、ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５が小さくなり、結果として高いｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が得にくくなる。より好ましくはα−５〜６５は１５０×１０−７／℃以下、特に好ましくは１３０×１０−７／℃以下である。また、α−５〜６５は３０×１０−７／℃以上であることが好ましい。３０×１０−７／℃未満では、結果としてｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が小さくなる場合がある。より好ましくは５０×１０−７／℃以上である。
本発明のガラスはｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５が１．０×１０−５／℃以上であることが好ましい。１．０×１０−５／℃未満では、波長が４００〜１８００ｎｍの光に対する光路長の温度変化による変化が小さくなる。より好ましくは１．３×１０−５／℃以上、さらに好ましくは１．５×１０−５／℃以上、特に好ましくは１．８×１０−５／℃以上である。
本発明のガラスのｎ１５５０は１．７以上であることが好ましい。１．７未満ではｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が小さくなる恐れがある。より好ましくは１．８以上、さらに好ましくは１．９以上、特に好ましくは２．０以上である。
本発明のガラスは、α−５〜６５が５０×１０−７／℃以上であり、かつｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５が１．５×１０−５／℃以上であることが好ましい。
【０００９】
本発明のガラスはＢｉ２Ｏ３を含有することが好ましい。
Ｂｉ２Ｏ３の含有量は、酸化物基準のモル％表示で、好ましくは１０モル％以上、より好ましくは２０モル％以上、特に好ましくは３５モル％以上、最も好ましくは４０モル％以上である。また、良好なガラス化、透明性の点からは、８０モル％以下であることが好ましく、７５モル％以下であることがより好ましく、７０モル以下であることが特に好ましい。
【００１０】
また、本発明のガラスが含有してもよい成分としては、
たとえば、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＧｅＯ２、ＷＯ３およびＴｅＯ２が挙げられる。これらの成分の含有量は各々３０モル％以下が好ましい。
また、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｒｂ２ＯおよびＣｓ２Ｏを含有してもよく、これらの成分については各々１０モル％以下が好ましい。
【００１１】
さらにＢｅＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣｄＯおよびＰｂＯを含有してもよいが、これらの成分については、合計で１０モル％以下であることが好ましい。
【００１２】
本発明のガラスは、酸化物基準で下記の組成を有することが好ましい。
Ｂｉ２Ｏ３：  ３０〜７５モル％
ＳｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３：  １０〜６０モル％
Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３＋Ｉｎ２Ｏ３：  ５〜２５モル％
ＺｎＯ＋ＢａＯ：  ０〜２０モル％
Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ：  ０〜１５モル％
ＣｅＯ２：  ０〜３モル％
なお、本発明の目的を損なわない範囲でこれらの成分以外の成分を含有してもよい。また、たとえば「ＺｎＯ＋ＢａＯ：０〜２０モル％」とは、ＺｎＯおよびＢａＯはいずれも必須ではないが、合計で２０モル％まで含有してもよい、の意である。
【００１３】
（ガラスの作製方法）
本発明のガラスの作製法については特に制限はなく、所定の原料を混合し、白金ルツボ、アルミナルツボ、石英ルツボやイリジウムルツボ中に入れ、例えば、８００〜１３００℃の空気中で溶融し、得られた融液を所定のモールドにキャストすることによって作製できる。また、ゾルゲル法や気相蒸着法などの溶融法以外の方法で作製してもよい。
【００１４】
（ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５の算出方法）
ｎ１５５０、ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５およびα−５〜６５をたとえば以下のように測定して、ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５を算出する。
ｎ１５５０およびｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５：  各ガラスを加工して厚みが１０ｍｍ、１辺が２０ｍｍの正三角形状プリズムを作製し、このプリズムについてカルニュー光学工業社製精密分光計ＧＭＲ−１を用いて波長が１５５０ｎｍの光に対する屈折率を−５〜＋６５℃の範囲で１０℃間隔で測定して、２５℃における屈折率ｎ１５５０、−５〜６５℃のｎの平均温度変化率ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５を求める。
α−５〜６５：  ＲＩＧＡＫＵ社製熱機械分析装置（ＴＭＡ）ＴＡＳ１００を用いて−７０〜＋２００℃の範囲で測定を行い、−５〜６５℃における平均線膨張係数α−５〜６５を求める。
【００１５】
本発明の光学部品が使用される光の波長は特に限定されないが、本発明の光学部品は波長が５００〜１８００ｎｍである光を使用する光通信、光情報処理、温度センサ等に好適である。
【００１６】
（熱光学位相変調器の作製方法）
ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が３．０×１０−５／℃以上の酸化物ガラスからなるコアを有する光導波路の近傍に、ヒーターなどのコアの加熱を可能とする加熱手段を設けることにより熱光学位相変調器を作製することができる。図１に熱光学位相変調器を示した。図１において、コア１およびクラッド２が構成する光導波路の近傍にヒーター３が設置されている。
本発明の熱光学位相変調器の作製法については特に制限はなく、例えば、プラズマ法、スパッタ法、ゾルゲル法、ＭＯＣＶＤ法、真空蒸着法、火炎堆積法（ＶＡＤ法、ＯＶＤ法、ＭＣＶＤ法など）、などガラス作製方法と、ドライエッチング、ウェットエッチング、レーザー加工、切削加工などの加工方法の組み合わせで作製することができる。また、ガラスのキャスティングやプレス成形、ドローイングなどを用いて作製しても良い。
【００１７】
例えば、公知の光導波路作製方法にて、ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が３．０×１０−５／℃以上の酸化物ガラスからなるコアを有する光導波路を作製した後、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングによって薄膜ヒーターを形成させることで作製できる。さらに、ヒーターの酸化や傷を防ぐために、ＳｉＯ２等のガラス膜をヒーター状に形成してもよい。なお、ヒーターの熱は光導波路と接触する媒体を通して伝わればよく、その媒体は限定されない。
光導波路は、例えば、凸型プロセスによって作製される。すなわち、基板上に下部クラッド層をスパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、レーザーアブレーション法、電子ビーム蒸着法等（以下単にスパッタリング法等という。）によって形成する。次に、下部クラッド層上にコア層をスパッタリング法等によって形成し、該コア層をエッチング法等によって所望のパターンに加工しコアとする。下部クラッド層の上に該コアが形成された状態で上部クラッド層をスパッタリング法等によって形成する。ここで、上部クラッド層と下部クラッド層がクラッドを構成する。
【００１８】
また、光導波路は、２段階熱イオン交換法によっても作製できる。すなわち、特開平６−１９４５３３号公報等によって公知の２段階熱イオン交換法を適用して光増幅導波路とするのに好適である。前記２段階熱イオン交換法とは、導波路を構成すべき部分以外にマスクをしたガラス（被イオン交換ガラス）をイオン交換用融液Ａに浸漬して前記マスクをされていない部分に高屈折率イオン交換層（以下高屈折率層という。）を形成し、次に、前記高屈折率層をガラス内部に移動させるべく別のイオン交換用融液Ｂにガラスを浸漬し、かつ電場を印加するものである。たとえば、前記ガラスはＮａを含有し、前記イオン交換用融液ＡはＡｇＮＯ３融液であり、前記イオン交換融液ＢはＮａＮＯ３融液である。
また、光ファイバについてはたとえば次のようにして作製される。すなわち、周知のガラス作製法を用いてコア／クラッド構造を有するプリフォームを作製し、このプリフォームを電気炉中に入れて軟化させ、所望の外径となるように制御しながら線引き加工する。クラッドガラスのまわりに樹脂層を形成する場合は、たとえば前記線引き加工で得られたコア／クラッド構造ガラスファイバーにＵＶ硬化性樹脂をコーティング後ＵＶ照射を行い前記樹脂層を形成する。
【００１９】
（熱光学強度変調器の作製方法）
本発明の熱光学位相変調器を用いて、熱光学スイッチの基本単位である熱光学強度変調器を作製することができる。
熱光学強度変調器とは、熱光学効果を利用して光の強度を変化させる装置であり、代表的にはマッハツェンダ干渉型熱光学強度変調器として知られている。
図２において、マッハツェンダ干渉型熱光学強度変調器を示した。２個の方向性結合器６とそれらを結ぶ２本の光導波路アーム４から成るマッハツェンダ干渉計構成を有し、片方の光導波路アーム上には熱光学効果移相器として薄膜ヒーター５が設けられている。
近傍に熱光学効果移相器を有する光導波路アームを本発明の熱光学位相変調器で構成することにより、小さい温度変化で光強度変化が可能な熱光学強度変調器を得ることができる。
【００２０】
また、上記熱光学強度変調器によって、小さな温度差でスイッチィング可能であり、応答速度が速い熱光学スイッチを提供することができる。
【００２１】
【実施例】
表１に示した組成を有するガラス１〜５を作製した。ガラス１〜４およびガラス５（石英ガラス）について、ｎ１５５０、ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５（単位：１０−６／℃）およびα−５〜６５（単位：１０−７／℃）を以下のようにして測定し、ｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５（単位：１０−６／℃）を算出した。
ｎ１５５０およびｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５：各ガラスを加工して厚みが１０ｍｍ、１辺が２０ｍｍの正三角形状プリズムを作製した。このプリズムについてカルニュー光学工業社製精密分光計ＧＭＲ−１を用いて波長が１５５０ｎｍの光に対する屈折率を−５〜＋６５℃の範囲で１０℃間隔で測定して、２５℃における屈折率ｎ１５５０、−５〜６５℃のｎの平均温度変化率ｄｎ１５５０／ｄＴ−５〜６５を求めた。
α−５〜６５：ガラス１〜４については、ＲＩＧＡＫＵ社製熱機械分析装置（ＴＭＡ）ＴＡＳ１００を用いて−７０〜＋２００℃の範囲で測定を行い、−５〜６５℃における平均線膨張係数α−５〜６５を求めた。ガラス５の石英ガラスについては、熱膨張係数が小さいため、ＵＬＶＡＣ社製レーザー膨張計ＬＩＸ−１を用いて−１５０〜＋２００℃の範囲で測定を行い、−５〜６５℃における平均線膨張係数α−５〜６５を求めた。
また、前述のように、熱光学スイッチの２本の導波路アーム間の位相差Δφは、長さＬ、単位長さ当りの光路長変化ｄＳ／ｄＴ、導波路アーム間の温度差ΔＴ、光の波長λにより以下の式で表せる。
Δφ＝２π・Ｌ・ｄＳ／ｄＴ・ΔＴ／λ
そこで、スイッチングに必要な温度差の指標として、上記の式に、Ｌ＝５ｍｍ、λ＝１５５０ｎｍ、ｄＳ／ｄＴに得られたｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５（単位：１０−６／℃）を代入することにより、Δφがπとなる温度ΔＴ１５５０（単位：℃）を算出した。
結果を表１に示す。
【００２２】
【表１】
2004326010.tif 000002
【００２３】
本発明のｄＳ１５５０／ｄＴ−５〜６５が３．０×１０−５／℃以上のガラスは、ΔＴ１５５０が各段に小さく、小さい消費電力で、速い応答速度で熱光化学位相変調が可能であり、熱光学強度変調器、光熱スイッチ等に応用可能な熱光学位相変調器を提供できることがわかる。
【発明の効果】
本発明の熱光学位相変調器により小さな温度差で光の位相を変化させることが可能であり、本発明の熱光学位相変調器を用いて、消費電力が小さく、応答速度が速い、熱光学強度変調器、光熱スイッチ等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱光学位相変調器である。
【図２】熱光学強度変調器である。
【符号の説明】
１  光導波路のコア
２  光導波路のクラッド
３  ヒーター
４  光導波路アーム
５  ヒーター
６  方向性結合器
【図１】
2004326010.tif 000003
【図２】
2004326010.tif 000004