(57)【要約】【課題】対称マッハツェンダ干渉計回路（対称ＭＺＩ）と非対称ＭＺＩでなる光路長差設定回路とを交互に多段縦列接続したラティス型光フィルタにおける、集積度を高める。【解決手段】対称ＭＺＩと光路長差設定回路（非対称ＭＺＩ）とを交互に縦列接続すると共に、対称ＭＺＩを初段と終段に配置する。対称ＭＺＩの２本の等光路長光導波路は、少なくとも曲線を含み光伝搬軸方向に対して左右非対称に配置されている。このため、光路長差設定回路（非対称ＭＺＩ）の前段及び後段に配置されている対称ＭＺＩが近接して、この部分で光回路が「くびれ」て、光回路全体は、８の字が連続した状態に形成されて、集積度が向上する。【選択図】        図１
2004348021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に光導波路を用いて形成された光回路であって、
２個の光方向性結合器と該光方向性結合器間に接続される２本の等光路長光導波路と、該２本の等光路長光導波路上のうち少なくとも一方に導波路の光位相制御手段を有する複数の対称マッハツェンダ干渉計回路を有し、
前記対称マッハツェンダ干渉計回路が初段および終段に配置され、該初段および終段の対称マッハツェンダ干渉計回路の間に、光路長の異なる２本の光導波路と該２本の光導波路上のうち少なくとも一方に導波路の光位相制御手段を有する光路長差設定回路と前記対称マッハツェンダ干渉計回路が交互に多段縦列接続された構成を成し、
前記２個の光方向性結合器の間に接続される前記２本の等光路長光導波路が、少なくとも曲線を含み光伝搬軸方向に対して左右非対称に配置された導波路で構成されている
ことを特徴とする光回路。
【請求項２】
請求項１において、
ラティス段数をＮ、ウェハ有効径をＤ、導波路曲がり半径をｒとしたときに、下式を満たすラティス段数Ｎを有していることを特徴とする光回路。
Ｄ／（２・ｒ・２１／２）≦Ｎ≦［（Ｄ／（ｒ・２１／２）］−１
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光回路の光学特性を可変動作する可変光フィルタ装置であって、
前記光回路を内蔵し、該光回路の温度特性を一定にする機能と、該光回路に光信号を入力または出力するための入出力光ファイバと、前記光位相制御手段を制御する光位相制御手段駆動回路からの制御信号伝達媒体を接続する接続端子を備えた光フィルタモジュールと、
光フィルタ特性に対応する前記位相制御手段の位相設定データを複数組並べたマップデータを保存する記憶装置と、
外部から選択された光学特性に対応する位相設定データを参照し、前記光位相制御手段駆動回路に前記位相設定状態を指示し実行する中央演算処理装置と、
前記光学特性を選択するための設定装置および設定状態の表示器と、該表示器の内容に基づいて前記中央演算処理装置を作動開始および停止するための動作状態設定装置とを具備してなる
ことを特徴とする可変光フィルタ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の可変光フィルタ装置であって、
前記光回路に具備された位相制御手段が光導波路上に設けた薄膜ヒータであり、前記光位相制御手段駆動回路が薄膜ヒータに電力を印加する電気的制御回路である
ことを特徴とする可変光フィルタ装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の可変光フィルタ装置であって、
該光回路の温度特性を一定にする機能が、基板温度を一定に保つためのペルティエ素子からなる温度制御装置である
ことを特徴とする可変光フィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で用いられる光回路およびこれを用いた可変光フィルタ装置に関するものであり、さらに詳細には、光導波路中を伝搬する光信号の振幅および位相を、光導波路の表面付近に設けられた薄膜ヒータの電流加熱による熱光学効果により制御して、所望の光フィルタ特性を実現するための可変光フィルタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットを中心とするコンピュータ間通信の普及によって、基幹ネットワークにおいてＴｂｉｔ／ｓ級の通信容量が必要とされている。このような大容量ネットワークを実現するには、ファイバ中の波長資源を有効利用可能なＷＤＭ（波長分割多重）伝送を行うことが必須である。ＷＤＭ伝送では、多チャネル化が進むと共に装置の小型化および低コスト化という観点からチャネル当たりの伝送速度を１０Ｇｂｉｔ／ｓから４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上に増大させる研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
しかし、ファイバの各種分散特性の存在により信号パルスが劣化し、上記のような伝送速度アップは容易ではない。特に波長分散許容度が伝送速度の２乗に反比例して厳しくなることから波長分散を精密かつ安価に等化する技術の重要性がますます増えている。
【０００４】
図６は、方向性結合器が多段に接続されたいわゆるラティス型光回路で構成され、平面光波回路技術で作製された波長分散補償器の従来例（“Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ”，Ｖｏｌ．  ２２，  Ｎｏ．  ９，  ｐ．  １１５１  ，新技術コミュニケーションズ）を示す。
【０００５】
図６において、５１はシリコン基板、５２はコア層およびクラッド層からなるガラス光導波路層、５３−１，５３−２は入力導波路、５４−１，５４−２は出力導波路、５５−１〜５５−１８は方向性結合器、５６−１〜５６−１７は薄膜ヒータである。
【０００６】
薄膜ヒータ５６−１〜５６−１７に必要な電力を印加することで、薄膜ヒータ５６−１〜５６−１７の下を通る光の位相を熱光学効果により制御することができる。本ラティス型光回路は、各薄膜ヒータ５６−１〜５６−１７を同時且つ独立に制御することで、任意の光フィルタ特性を実現しようとするものである。
【０００７】
図７は、図６に示したラティス型光回路を構成している単体の要素回路を説明する図である。初段は光フィルタの周波数特性上の直流分を、次段以降は遅延回路による交流分と考えることができる。これらの要素回路は、結合率を任意に可変できる対称マッハツェンダ干渉計（以下、ＭＺＩと略す。）回路（結合率可変器）と、位相遅延を付与する、長さの異なる２本の光導波路で構成される非対称ＭＺＩ回路（位相シフタ）に分けられる。
【０００８】
例えば、対称ＭＺＩ回路の上側または下側の入力導波路に振幅１（初期位相零）の光信号が入射し中央の薄膜ヒータ加熱により位相差φを付与した場合、干渉計を構成する２つの方向性結合器の結合率が共に５０％（３ｄＢカプラ）のときに限り、２本の出力導波路からは正弦波状または余弦波状に変化する振幅および同位相の光が出てくることが簡単な伝達行列の計算によってわかる（“光導波路の基礎”，岡本勝就著，コロナ社，ｐ．  １５９）。これが、対称ＭＺＩ回路が等価的に振幅のみを可変でき、次段以降の回路に位相差に関する影響を及ぼさず、チューナブルカプラとして動作できる所以である。
【０００９】
また、位相シフタを構成する２本の光導波路の長さは、導波路パタンの微細加工によりサブミクロンオーダで設定することができ、かつ薄膜ヒータ加熱により微調整ができるため、それらによる光路長差を高精度に実現することができる。
【００１０】
これらの理由から、展開係数ａｍに対応する対称ＭＺＩの結合率および光路長差ｎｅｆｆΔＬに対応する非対称ＭＺＩを変化または微調整することにより、次に示す（１）式で決まる任意の遅延時間特性（光フィルタ特性）が実現可能となる。
【００１１】
【数１】
2004348021.tif 000003
【００１２】
【非特許文献１】
“Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ”，Ｖｏｌ．  ２２，  Ｎｏ．  ９，  ｐ．  １１５１  ，新技術コミュニケーションズ
【非特許文献２】
“光導波路の基礎”，岡本勝就著，コロナ社，ｐ．  １５９
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、このようなラティス型光回路においては、１８０度の曲がり導波路を用いてＭＺＩを蛇腹状に縦接接続配置されていた。そのため、分散補償量を拡大するために要素回路の段数を増加すると、段数に応じて光回路面積が増加してしまう。ラティス光回路の段数は最大チップ面積で制限されてしまい、ラティス多段化による高性能化が難しかった。
【００１４】
また、任意の光フィルタ特性を実現するためにはラティス型光回路に装備された複数の位相シフタを同時に且つ独立に制御する必要がある。しかしながら、各位相シフタの薄膜ヒータに流す最適電流値をリアルタイムで求めながら制御することは、光フィルタモジュール以外の制御系が大規模になりすぎ現実的な制御方法ではなかった。
【００１５】
本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、多段のラティス構成を有する小型高性能ラティス光回路を実現するとともに、簡易な手法で光フィルタ特性をダイナミックに可変出来る可変光フィルタ装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、具体的には以下の手段で実現することができる。
【００１７】
すなわち、２個の光方向性結合器と該光方向性結合器間に接続される２本の等光路長光導波路と、該２本の等光路長光導波路上のうち少なくとも一方に導波路の光位相制御手段を有する複数の対称マッハツェンダ干渉計回路を有し、前記対称マッハツェンダ干渉計回路を初段および終段に配置し、該初段および終段の対称マッハツェンダ干渉計回路の間に、光路長の異なる２本の光導波路と該２本の光導波路上のうち少なくとも一方に導波路の光位相制御手段を有する光路長差設定回路と前記対称マッハツェンダ干渉計回路を交互に多段縦列接続配置して、前記２個の光方向性結合器の間に接続される前記２本の等光路長光導波路を少なくとも曲線を含み光伝搬軸方向に対して左右非対称に配置した導波路で構成することを特徴とする光回路を手段としている。
この場合、ラティス段数をＮ、ウェハ有効径をＤ、導波路曲がり半径をｒとしたときに、下式を満たすラティス段数Ｎを有している光回路としている。
Ｄ／（２・ｒ・２１／２）≦Ｎ≦［（Ｄ／（ｒ・２１／２）］−１
【００１８】
また前記光回路の光学特性を任意に変化させられる可変光フィルタ装置として、該光回路に光信号を入力または出力するための入出力光ファイバと、前記光位相制御手段を制御する光位相制御手段駆動回路からの制御信号伝達媒体を接続する接続端子を備えた光フィルタモジュールと、光フィルタ特性に対応する前記位相制御手段の位相設定データを複数組並べたマップデータを保存する記憶装置と、外部から選択された光学特性に対応する位相設定データを参照し、前記光位相制御手段駆動回路に前記位相設定状態を指示し実行する中央演算処理装置と、前記光学特性を選択するための設定装置および設定状態の表示器と、該表示器の内容に基づいて前記中央演算処理装置を作動開始および停止するための動作状態設定装置とを具備していることを特徴としている。
【００１９】
ここで、光回路に具備された位相制御手段として光導波路上に設けた薄膜ヒータを、前記光位相制御手段駆動回路として薄膜ヒータに電力を印加する電気的制御回路を用いても良い。
さらに、可変光フィルタ装置として、前記光回路の基板温度を一定に保つための温度制御装置が具備しても良い。
【００２０】
［作用］
本発明によれば、ラティス型光回路を極めて稠密で集積化することが可能となり、ラティス多段化による高性能化が容易に実現できる。また、複数部の光位相を設定された条件で変化することができ、簡易な構成で任意の光学特性を実現できる可変光フィルタ装置を実現することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。なお、ここで示す全ての実施例では、導波路基板としてシリコン基板を、光導波路として石英系ガラス光導波路を用いて説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、導波路基板としてガラス基板、半導体基板、セラミック基板、プラスチック基板等、また光導波路としては半導体導波路、ガラス導波路、有機材料導波路等、あらゆる種類の基板や導波路材料の組み合わせにも適用可能である。
【００２２】
図１は、本発明の第１の実施例を説明する図であり、図２は図１の点線の部分の拡大図である。図１において、１はシリコン基板、２はコア層およびクラッド層からなるガラス光導波路層、３−１，３−２は入力導波路、４−１，４−２は出力導波路、５−１〜５−３０は方向性結合器、６−１〜６−２９は薄膜ヒータ等である。
【００２３】
この光回路では、初段（第１段）が対称ＭＺＩ回路、第２段が非対称ＭＺＩ回路でなる光路長差設定回路、第３段が対称ＭＺＩ回路、第４段が非対称ＭＺＩ回路でなる光路長差設定回路、第５段が対称ＭＺＩ回路、第６段が非対称ＭＺＩ回路でなる光路長差設定回路、という具合に、対称ＭＺＩ回路と非対称ＭＺＩ回路が交互に縦列接続されており、最終段が対称ＭＺＩ回路になっている。
【００２４】
初段（第１段）の対称ＭＺＩ回路は、方向性結合器５−１と方向性結合器５−２とを、２本の等光路長光導波路（光路長の等しい光導波路）で接続し、一方の等光路長光導波路に光位相制御手段である薄膜ヒータ６−１を備えて構成されている。しかも、２本の等光路長光導波路は、少なくとも曲線を含み光伝搬軸方向に対して左右非対称に配置された導波路となっている。他の（奇数段および最終段の）対称ＭＺＩ回路も、同様に構成されている。
【００２５】
第２段の非対称ＭＺＩ回路からなる光路長差設定回路は、方向性結合器５−２と方向性結合器５−３とを、光路長の異なる２本の光導波路で接続し、一方の光導波路に光位相制御手段である薄膜ヒータ６−２を備えて構成されている。他の（偶数段の）光路長差設定回路も、同様に構成されている。
【００２６】
図１示す本実施例の光回路を、図６で示した従来例と比較すると、対称ＭＺＩ回路における２本の長さの等しいアーム部が左右非対称な曲線導波路で構成されており、非対称ＭＺＩ回路の前段および後段に配置されている対称ＭＺＩ回路の光路長差が零となる条件を満たしつつ“くびれている”ところが大きな特徴である。これにより、対称ＭＺＩ回路と非対称ＭＺＩ回路が交互に多段接続されているラティス型光フィルタ回路は大幅に稠密構造化され、従来例よりも約２倍の段数を同じチップ面積に収容することができる。くびれ構造によりＭＺＩ間隔が狭くなる。
【００２７】
一般に、任意の光回路の中で対称ＭＺＩ回路を配置する場合、対称ＭＺＩ回路の干渉計における２本の長さの等しい長手方向のアーム部は、導波路パタンの設計のし易さを考慮に入れると、通常、直線導波路で構成され、曲線導波路を用いて故意にくびらせるという発想は皆無であった。例えば、図３に示すように、マッハツェンダ干渉計における２本の長さの等しい長手方向のアーム部が直線導波路で構成されている通常の対称ＭＺＩ回路で構成されるラティス型光フィルタ回路を集積化するために、対称ＭＺＩ回路同志を徐々に近づけても、曲げ導波路の曲率半径を小さくできないため、非対称ＭＺＩ回路同志がぶつかりあってしまい、それほどの集積化は望めない。
【００２８】
しかし、本実施例のように、対称ＭＺＩ回路と非対称ＭＺＩ回路が交互に多段接続されるラティス型光フィルタの場合には、その周期的な回路構成を有していることに着目すると、対称ＭＺＩ回路の干渉計のところでくびらせることによって、図中の横方向については約１／２と大幅に回路寸法の短縮が図れるので、ラティス型光フィルタ回路の大幅な稠密化または集積化が達成できることがわかる。
【００２９】
最小曲がり半径５ｍｍの比屈折率差０．７５％の導波路を用いた場合、従来は４インチウェハに６〜７段ラティス回路レイアウトが限界だったが、本発明のレイアウトにより約２倍の１３段ラティス回路のレイアウトが可能になった。この結果、集積化の実現と同時に製造の歩留まり向上も期待できる。
【００３０】
ラティス段数が概ね回路横方向の寸法で制限されていることから、ラティス段数Ｎはウェハ有効径Ｄと導波路曲がり半径ｒから次のように概算することが出来る。
【００３１】
すなわち、従来の回路構成では、式（２）となり、本発明では式（３）と表される。これらの式から、本発明では従来の約２倍の段数が可能であることが分かる。
【００３２】
【数２】
2004348021.tif 000004
【数３】
2004348021.tif 000005
【００３３】
したがって、次式（４）の条件の場合に、本発明は有効である。
【００３４】
【数４】
2004348021.tif 000006
【００３５】
４インチウェハＤ＝１００ｍｍ、曲がり半径ｒ＝５ｍｍを仮定すると、ラティス段数が７段以上１３段以下に適用すると有効である。また、ラティス段数が７段以下の場合でも、本発明により１ウェハ内のチップ数を倍増させウェハ収率の向上を図ることができる。
【００３６】
なお、対称ＭＺＩ回路の干渉計におけるアーム部は、図４（ａ）または図４（ｂ）に示すように、曲線導波路のみで構成されていてもよく、また図４（ｃ）または図４（ｄ）に示すように、直線導波路を含む曲線導波路で構成してもよい。
【００３７】
図５は、本発明の第２の実施例を説明する図であり、第１実施例で説明したラティス型光フィルタ回路チップを実際に動作させるための制御構成である。
【００３８】
図５において、４１は光フィルタモジュールであり、この光フィルタモジュール４１には入力ファイバ４８−１と出力ファイバ４８−２が接続されている。４２は主電源、４３は薄膜ヒータ駆動用ドライバ、４４はＡ／ＤまたはＤ／Ａコンバータ、４５は制御用マイコン、４６は任意の設定値の特性を実現する各ヒータ電流条件（Ｈ１，Ｈ２，…，Ｈｎ）のデータマップが保存されているメモリ、４７は光学特性を設定するまたは表示するためのスイッチ＆表示器、４９はモジュール４１内のチップ温度を制御するための駆動電源、５０は筐体ボックスである。なお次に示す表１は、メモリ４６に保存されるヒータ電流条件のデータマップの例である。
【００３９】
【表１】
2004348021.tif 000007
【００４０】
所望のフィルタ特性の設定をスイッチ＆表示器４７で行い、スタートボタンを押すと、マイコン４５はその光学特性を実現する予めメモリ４６に保存された各ヒータ電流値を参照しながら、薄膜ヒータ駆動用ドライバ４３に各ヒータ電流を供給するよう指令を出すことによって、光フィルタモジュール４１のチップ上の各ヒータに所望の電流値が流れ、目的の光フィルタ特性を実現するというしくみである。
【００４１】
この方法によれば、フィルタ特性をモニターしてフィードバック制御をすることなく、マイコンによる簡単な電気制御のみにより、低コストで安定な光フィルタコントロールボックスを実現することができる。また、任意のフィルタ特性を実現できる各ヒータ電流の条件データをデータマップに書き替えてやれば、簡単に所望のフィルタ特性を実現することができる。
【００４２】
なお．光フィルタモジュール４１に組み込んだ光回路（例えば図１に示す光回路）の温度特性を一定にするため、光回路の基板温度を一定に保つペルティエ素子からなる温度制御装置を備えていてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明では、ラティス型光フィルタ回路を構成する対称ＭＺＩ回路の干渉計アーム部を、従来のように直線導波路のみで単純に延長して構成するのではなく、曲線導波路を用い、かつアーム長が等しくなるようにくびらせることによって、極めて稠密で集積化されたラティス型光フィルタ回路を実現することができる。また、光フィルタ特性に対応する光位相設定条件である薄膜ヒータ電力をメモリに保存して、適時マイコンで読み出しドライバを制御することにより、簡易な構成で任意の光学特性を実現できる可変光フィルタ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光回路を示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施例の一部を拡大して示す構成図である。
【図３】集積効果があまり期待できない要素回路の配置例を示す説明図である。
【図４】本発明に関する対称ＭＺＩの各態様を説明する説明図である。
【図５】ラティス型光フィルタ動作を実現するための可変光フィルタ装置を示す構成図である。
【図６】従来のラティス型光フィルタを示す構成図である。
【図７】従来のラティス型光フィルタにおける単体の要素回路を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  ガラス光導波路層
３−１，３−２  入力導波路
４−１，４−２  出力導波路
５−１〜５−３０  方向性結合器
６−１〜６−２９  薄膜ヒータ
４１  光フィルタモジュール
４２  主電源
４３  薄膜ヒータ駆動用ドライバ
４４  Ａ／ＤまたはＤ／Ａコンバータ
４５  制御用マイコン
４６  データマップが保存されているメモリ
４７  スイッチ＆表示器
４８−１  入力ファイバ
４８−２出力ファイバ
４９  チップ温度を制御するための駆動電源
５０  筐体ボックス
５１  シリコン基板
５２  ガラス光導波路層
５３−１，５３−２  入力導波路
５４−１，５４−２  出力導波路
５５−１〜５５−１８  方向性結合器
５６−１〜５６−１７  薄膜ヒータ
【図１】
2004348021.tif 000008
【図２】
2004348021.tif 000009
【図３】
2004348021.tif 000010
【図４】
2004348021.tif 000011
【図５】
2004348021.tif 000012
【図６】
2004348021.tif 000013
【図７】
2004348021.tif 000014