(57)【要約】【課題】光減衰器において、簡単な構成により偏波依存損失の増加の抑制と大きな減衰量及び消費電力の低減を可能とする。【解決手段】光減衰器１は、熱光学材料より成る幅が狭い狭小コア部３１を有するコア部３とクラッド部２とで構成された光導波路４と、光導波路４を支持する放熱基板４１と、クラッド部２の表面で狭小コア部３１近傍に、狭小コア部３１の光軸に対して狭小コア部３１の幅方向に矢印ｄで示すようにずらしてコア部と重ならないように配されたヒータ５とを備える。ヒータ５をずらした結果、狭小コア部３１に対して斜め方向の温度勾配が形成され、光の分布は放熱基板４１まで達しなく、ＴＥ／ＴＭモード光の減衰の差が抑制されて偏波依存損失が抑制される。幅の狭い狭小コア部３１構造とした結果、クラッド部２への染み出し光増加と加熱容易化とにより低消費電力で減衰量の増大、及びダイナミックレンジ拡大ができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱光学材料より成るコア部とクラッド部とで構成され、該コア部が他のコア部よりも幅が狭い狭小コア部と、前記狭小コア部の長さ方向前後にあるコア部（通常コア部という）と、前記狭小コア部−通常コア部間を滑らかにつなぐテーパコア部とを有する光導波路と、
前記クラッド部表面で狭小コア部近傍に、該狭小コア部の光軸に対して該狭小コア部の幅方向にコア部と重ならないようにずらして配されたヒータと、を備えていることを特徴とする光減衰器。
【請求項２】
前記狭小コア部の幅が前記通常コア部の幅の２分の１以上であることを特徴とする請求項１に記載の光減衰器。
【請求項３】
前記狭小コア部が前記通常コア部よりもクラッド部との屈折率差が小さい材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光減衰器。
【請求項４】
前記狭小コア部の光軸方向長さが前記ヒータよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の光減衰器。
【請求項５】
前記テーパコア部又は狭小コア部が円弧を描く部位を有し、
前記ヒータが前記円弧中心の側にずらして配されていることを特徴とする請求項１に記載の光減衰器。
【請求項６】
前記狭小コア部において前記導波路と方向性結合する光導波路を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光減衰器。
【請求項７】
前記テーパコア部及び狭小コア部と前記ヒータとの間の幅方向距離が一定となるように前記ヒータが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光減衰器。
【請求項８】
前記コア部を挟んで前記ヒータが配された側と反対側に、前記クラッド部よりも熱伝導率が高い高熱伝導部位を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光通信及び光信号処理システムにおいて、伝送品質を確保するため光信号強度の調節や光信号の遮断に可変光減衰器が用いられている。可変光減衰器は、熱光学効果を示す材料を用いて構成することができる。例えば、図１１（ａ）に示す可変光減衰器９０は、熱光学材料によるクラッド９２及び一様な断面のコア９３からなる光導波路９４と、光導波路９４に接するヒータ９５と、光導波路９４に接する放熱基板９６とで構成されている。減衰動作をさせていない状態において、コア９３を導波する光の電界分布は破線Ｅで示すようにコア９３の回りに均等に分布している。
【０００３】
減衰動作は、図１１（ｂ）に示すように、ヒータ９５に通電して行われる。ヒータ９５と放熱基板９６との間に温度勾配（等温線５１によって示されている）、また、熱光学効果によりクラッド９２の一部に周囲より屈折率の高い熱誘起コア部、を生じさせ、光導波路９４のコア９３の導波モードを熱誘起コア部の放射モードに光結合させることにより、光導波路９４のコア９３中の導波光を放射させて減衰させることができる。ヒータ９５に電力をつぎ込むほど放射モードが多くなり減衰量は増加する。コア９３を加熱することで、光は導波路断面内の放熱基板９６側に移動し、電界分布が破線Ｅで示すように放熱基板まで広がり、基板９６への光の吸収が生じて光が減衰する（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２４１７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した図１１に示すような構造の光減衰器において、導波光を成分で考えた場合、減衰されやすい光は振動方向が基板９６面に垂直であるＴＭモード光であり、基板９６面に平行な方向に振動するＴＥモード光は減衰されにくい。このため、非加熱状態ではほとんど生じない偏波依存損失（ＰＤＬ）が、ヒータ加熱電力の増加とともに増加する。すなわち、減衰量が大きくとれてダイナミックレンジは拡大するが、他の重要な特性であるＰＤＬの悪化は避けられないという問題点がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により偏波依存損失（ＰＤＬ）の増加を抑えながら減衰量が大きくとれて、消費電力の低減が可能な光減衰器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、熱光学材料より成るコア部とクラッド部とで構成され、該コア部が他のコア部よりも幅が狭い狭小コア部と、前記狭小コア部の長さ方向前後にあるコア部（通常コア部という）と、前記狭小コア部−通常コア部間を滑らかにつなぐテーパコア部とを有する光導波路と、前記クラッド部表面で狭小コア部近傍に、該狭小コア部の光軸に対して該狭小コア部の幅方向にコア部と重ならないようにずらして配されたヒータと、を備えていることを特徴とする光減衰器である。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の光減衰器において、前記狭小コア部の幅が前記通常コア部の幅の２分の１以上であるものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１に記載の光減衰器において、前記狭小コア部が前記通常コア部よりもクラッド部との屈折率差が小さい材料で構成されているものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１に記載の光減衰器において、前記狭小コア部の光軸方向長さが前記ヒータよりも長いものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項１に記載の光減衰器において、前記テーパコア部又は狭小コア部が円弧を描く部位を有し、前記ヒータが前記円弧中心の側にずらして配されているものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１に記載の光減衰器において、前記狭小コア部において前記導波路と方向性結合する光導波路を備えているものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１に記載の光減衰器において、前記テーパコア部及び狭小コア部と前記ヒータとの間の幅方向距離が一定となるように前記ヒータが形成されているものである。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項１に記載の光減衰器において、前記コア部を挟んで前記ヒータが配された側と反対側に、前記クラッド部よりも熱伝導率が高い高熱伝導部位を備えているものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、ヒータをずらして配置することで光の分布は斜めに広がるようになり、基板での吸収減衰が少なくなって、ＰＤＬの増加を抑えることができる。さらに、狭小コア部でコア部の光ガイド力を弱めてクラッドへと染み出している光の量を多くすることで、少ないヒータ加熱、すなわち低消費電力で減衰量を大きくとることができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、非加熱時に、狭小コア部での光損失を防ぐことができる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、狭小コア部でのコア幅を大きくすることができ、製造が容易となる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、ヒータで発生した熱のほとんどが狭小コア部の加熱に用いられるので、光ガイド力の弱い部分である狭小コア部から効率的に減衰させ、低消費電力で減衰量を大きくとることができる。
【００１８】
請求項５の発明によれば、円弧形状のコア部の外側（円弧中心と反対側）に染み出している光を多くすることで、加熱による放射を低電力で生じさせ、減衰量を大きくとることができる。
【００１９】
請求項６の発明によれば、請求項１の効果に加えて、結合長を変化させて結合比率を変えることにもなり、低消費電力で減衰量を大きくとれる。
【００２０】
請求項７の発明によれば、ヒータで発生した熱を狭小コア部により有効に作用させることができ、低消費電力で減衰量を大きくとれる。
【００２１】
請求項８の発明によれば、ヒータ加熱による温度勾配を、幅方向により傾斜させることができるので、低消費電力で減衰量を大きくとれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態に係る光減衰器について、コア部及びクラッド部の光学材料の熱光学定数が負であるポリマ材料を例に図面を参照して説明する。なお、熱光学定数が正である材料の場合、屈折率の変化の増減が、熱光学定数が負である場合の逆となるので、それに応じた光減衰器の構造とすることで同様の効果が得られる。図１は、光減衰器１を示し、図２及び図３は、光減衰器１の動作状態及びその特性を示す。光減衰器１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、熱光学材料より成るコア部３とクラッド部２とで構成され、コア部３が他のコア部よりも幅が狭い狭小コア部３１と、狭小コア部３１の長さ方向前後にあるコア部（通常コア部３０という）と、狭小コア部３１−通常コア部３０間を滑らかにつなぐテーパコア部３２とを有する光導波路４と、光導波路４を支持する放熱基板４１と、クラッド部２の表面で狭小コア部３１近傍に、狭小コア部３１の光軸に対して狭小コア部３１の幅方向に矢印ｄで示すようにずらしてコア部と重ならないように配されたヒータ５とを備えている。
【００２３】
ヒータ５に通電して動作状態となった光減衰器１の断面には、図２に示すように、等温線５１に従ってヒータ５から放熱基板４１に向けて温度勾配が形成される。ところが、ヒータ５とヒータ５で加熱される狭小コア部３１は、導波路４の直上から見て矢印ｄの方向にずらした位置関係にあるので、狭小コア部３１に対しては斜め方向の温度勾配が形成される。そこで、光の分布状態が破線Ｅで示すように図の斜め下方に広がるようになり、その結果、光の分布は放熱基板４１までは達しない分布となる。従って、図の横方向への放射光が生じるようになり、放熱基板４１での吸収による減衰が少なくなる。すなわち、光減衰器１においては、ＴＥモード光とＴＭモード光の減衰の差が抑制され、偏波依存損失（ＰＤＬ）の増加が抑制されている。
【００２４】
また、狭小コア部３１の効果を、ビーム伝播法（ＢＰＭ；Beam propagation Method）によるシミュレーションで検証した結果を図３に示す。厚み一定で幅を狭くした狭小コア部３１を設けたことにより、狭小コア部３１での光のガイド力が弱められ、光の広がりは大きくなる。従って、狭小コア部３１を加熱すれば、少ない電力で横方向へ光を放射させて大きな減衰を得ることが可能となる。図３における曲線ａが、狭小コア部を有したコア部とヒータをずらした光衰器に対応し、曲線ｂが狭小コア部なしでヒータをずらした光減衰器に対応する。シミュレーションに用いた計算条件は、コア部とクラッド部との屈折率の差が０．００４、コア部の断面形状が７μｍ×７μｍ、狭小コア部幅が４μｍ、クラッド部厚みを３０μｍ、ヒータの長さが１ｍｍ、ヒータと導波路の光軸方向ずらし量が１０μｍである。
【００２５】
図３に示した結果から分かるように、狭小コア部を有する光減衰器（曲線ａ）が、狭小コア部を有さない光減衰器（曲線ｂ）よりも、ヒータ加熱のための同じ投入電力Ｐに対して、より大きな減衰量Ｄを達成している。このように、光減衰器１の狭小コア部３１の構造で、コア部３の光ガイド力を弱め、クラッド部２へと染み出している光を多くすることで、少ないヒータ加熱すなわち低消費電力で、従来よりも減衰量を大きくでき、また減衰のダイナミックレンジ拡大を図ることができる。
【００２６】
次に、引き続き図１を参照して狭小コア部３１の幅について説明する。狭小コア部３１の幅は、通常コア部３２の幅の２分の１以上であることが望ましい。すなわち、狭小コア部３１の幅を細くしていくと、シングルモード光が伝搬できなくなるカットオフ条件を超えてしまうため、極端に細くすることはできない。また、幅が細くなり縦横のアスペクト比が大きく成りすぎると、背の高い板状の光軸方向に長いコア部となるため、リソグラフィを用いた導波路形成方法では、コア部の倒れが起きやすいなどの製造上の不具合が発生し、狙いの形状からのずれが大きくなり、形成が困難になる。
【００２７】
ところで、一般的なシングルモード導波路のコア部３／クラッド部２屈折率差は、およそ０．００４〜０．００７程度であるので、通常コア部３２の幅の２分の１程度の幅の狭小コア部３１としても、シングルモード光は導波できる。また、アスペクト比２：１のコア部であれば、製造上、実際に形成させることは十分可能である。
【００２８】
従って、通常コア部３２の断面が正方形の導波路の場合、現実的に実施可能な狭小コア部３１の幅と通常コア部３２の幅との関係は、狭小コア部３１の幅が、通常コア部３２の幅の２分の１以上であればよい。この条件を満たしておれば、カットオフにより光が放射されてしまったり、導波路形状が歪んで過剰損失を生じることがないため、非加熱時の損失（挿入損失）を小さくすることができ、また作製上も安定に形成することができる。
【００２９】
次に、引き続き図１を参照して狭小コア部３１の屈折率について説明する。狭小コア部３１を通常コア部３２よりもクラッド部２との屈折率差が小さい材料で構成することにより狭小コア部３１の効果を出しやすくなる。狭小コア部３１の屈折率を、他のコア部よりもクラッド部２の屈折率に、より近づけて形成すると、狭小コア部３１での光のガイド力がより小さくなり、光の広がりがさらに大きくなる。従って、少ない電力で光を放射減衰させることができるようになる。
【００３０】
また、狭小コア部３１の屈折率を変える上述の方法によると、狭小コア部３１の幅を狭くする方法の代替とすることができるので、狭小コア部３１でのコア幅寸法を太くすることができ、例えば、コア部の断面形状がアスペクト比１：１に近い状態で、屈折率を変化させないで形成した狭小コア部３１と同等の効果を得ることができる。このことは導波路作製がより容易に行えることを示し、製造安定性や歩留まり向上などに効果がある。
【００３１】
次に、狭小コア部の光軸方向長さとヒータ長さについて説明する。図４は光減衰器１１を示し、図５は、光減衰器１１の動作特性を示す。図４に示すように、狭小コア部３１の光軸方向長さＬ３１は、ヒータ５の長さＬ５よりも長い方が好ましい。すなわち、Ｌ５＜Ｌ３１とすると、ヒータ５で発生した熱のほとんどを狭小コア部３１の加熱に用いることができ、光ガイド力の弱い部分である狭小コア部３１において光を効率的に減衰させることができ、低消費電力で減衰量を大きくとることができる。
【００３２】
ここで、上述とは反対に、Ｌ５＞Ｌ３１について述べる。前述のように、狭小コア部３１を設けることで光ガイド力を弱めて減衰特性を向上できるが、狭小コア部３１が短いと（図１参照）、ヒータ５で加熱するのはテーパコア部３２となる。ヒータ５の長さ方向の加熱範囲をみると、通常コア部３０に近いところからスタートし、狭小コア部３１で最も細くなり、また通常コア部３０に近いところまでを加熱していることになる。コア部３の光ガイド力は、コア部の幅の変化に応じて変わるので、光ガイド力の最も弱いところは狭小コア部である。
【００３３】
従って、最も効率的に光の減衰を生じさせるためには、上述のように、狭小コア部３１だけに沿うヒータ５を配置するか、又は狭小コア部３１の長さＬ３１をヒータ５の長さＬ５と同じかそれ以上にするとよい。図５は、前述と同様のＢＰＭ法によるシミュレーション結果を示す。曲線ｅが、ヒータ長さよりも長い狭小コア部を有した光衰器に対応し、曲線ｆがヒータ長さよりも短い狭小コア部を有した光減衰器に対応する。ヒータより長い狭小コア部を有する光減衰器（曲線ｅ）が、短い狭小コア部を有する光減衰器（曲線ｆ）よりも、ヒータ加熱のための同じ投入電力Ｐに対して、より大きな減衰量Ｄを達成していることが分かる。
【００３４】
次に、狭小コア部又はテーパコア部の円弧形状について説明する。図６は、光導波路における光強度分布を示し、図７は、光減衰器１２を示す。光が直線導波路を伝搬する際には、図６（ａ）に示すように、光は導波路（コア部）の中心軸に対称に分布して進行する。すなわち、光がコア部３の左端から右端に進行する場合、コア部３の幅方向ｘの光強度Ｉの入射側分布６１、出射側分布６２はともに対称な分布になっている。しかしながら、曲線導波路の場合は、図６（ｂ）に示すように、光強度分布は中心軸に対称とはならず、例えば円弧導波路の場合、そのコア部３ａの曲率中心の反対の外側に染み出しの多い分布で進行することが知られている。すなわち、コア部３ａの左端における入射光の対称な光強度分布６３が、右下端の出射光では非対称な光強度分布６４となっている。
【００３５】
従って、図７に示すように、例えば、コア部３及びクラッド部２の熱光学定数が負の材料を用いた場合、狭小コア部３１とテーパコア部３２を、それぞれ曲率半径ρ０、ρ１の円弧を描くように形成し、ヒータ５を円弧中心の側にずらして配置することで、上述の現象を利用することができる。すなわち、コア部３の円弧中心側（内側）にヒータ５を配置して、減衰させるための光を外側へ放射させるようにすれば、光の染み出しの多い分だけ、電力を少なくして光を放射・減衰させることができ、その結果、低電力で大きな減衰を得ることができる。また、熱光学定数が正の材料に対しては、逆に、ヒータ５を円弧中心と反対側にずらして配置すればよい。
【００３６】
次に、狭小コア部の方向性結合について説明する。図８は光減衰器１３を示す。２本の導波路を近接して配置すると、方向性結合と呼ばれる光の乗り移り現象が生じて、ヒータによる加熱がなくても光が移動する。この現象を利用するため、図８に示すように、方向性結合部３５を狭小コア部で形成する。
【００３７】
方向性結合部３５を形成した狭小コア部付近では、一方のコア部の光は、近接する他方のコア部に結合しようとしており、自動的に光が移動できる状態になっている。そこで、その方向性結合部３５付近をヒータで加熱してやれば、少ない電力で光を放射・減衰させることができ、大きな減衰を得ることができる。また、加熱することで方向性結合の結合長を変えることにもなり、結合割合も変化する。つまり、２つの導波路（コア部）に出射される光の量が変化するので、このことも大きな減衰を得る一要因として作用する。
【００３８】
そこで、ヒータ５で加熱しない状態では１００％の光が結合するような結合長に定め、ヒータ５に隣接していないコア部３（図の下側のコア部）を出射ポートとすれば、低電力で大きな減衰を得ることができる。
【００３９】
次に、狭小コア部及びテーパコア部とヒータの間隔について説明する。図９は光減衰器１４を示す。前出の図１に示したようにコア部３に狭小コア部３１を設けてヒータ５をコア部光軸に平行に配置すると、狭小コア部３１に対してヒータ５と狭小コア部３１の間隔が、ヒータ中央部で離れてしまい、加熱による温度変化、従って、熱光学効果による屈折率変化量が小さくなり、結果として光減衰効果が弱くなってしまう。そこで、図９に示すように、ヒータ５と狭小コア部３１との間隙ｉ，ｊ，ｋが一定となるようにヒータ５を形成してやれば、ヒータ加熱領域のどの位置でも一様で効率的な加熱が行え、コア部３の屈折率変化を略一定に保つことができる。その結果、最も光ガイド力の小さくなる狭小コア部３１付近の加熱も有効に作用し、光の減衰を大きくとることができる。
【００４０】
次に、クラッド部における高熱伝導部位について説明する。図１０は光減衰器１５を示す。前述したように、コア部加熱時の光の分布状態が、前出の図２に示すように、斜めに広がるようにできれば、放熱基板への吸収が生じないだけでなく、横方向への放射光が生じ、偏波依存損失（ＰＤＬ）の発生を抑えながら大きな減衰を得ることができる。
【００４１】
そこで、図１０に示すように、導波路断面において、ヒータ５が配された側と反対側にクラッド部２よりも熱伝導率が高い高熱伝導部位７を設けることにより、熱の流れ方を変えることができ、右下斜め方向の白矢印で示すように、等温線５１が高熱伝導部位７に向かって横方向にも広がり、破線Ｅで示す光の分布状態を横方向に大きく傾けることができる。よって、横方向へ光が放射される割合が増え、大きな光の減衰が得られるとともに、ＰＤＬの発生も少なく抑えることができる。高熱伝導部位７は、熱伝導率がクラッド部２よりも大きければよく、例えば、放熱基板４１に設けた凸部であってもよい。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係る光減衰器のクラッド表面側から見た平面図、（ｂ）は同光減衰器の斜視図。
【図２】同上光減衰器の動作を説明する断面図。
【図３】同上光減衰器における投入電力に対する光強度減衰量の特性を示すグラフ。
【図４】本発明の他の例を示す光減衰器の平面図。
【図５】同上光減衰器における投入電力に対する光強度減衰量の特性を示すグラフ。
【図６】（ａ）（ｂ）は光導波路における光強度の一般的な説明図。
【図７】本発明のさらに他の例を示す光減衰器の平面図。
【図８】本発明のさらに他の例を示す光減衰器の平面図。
【図９】本発明のさらに他の例を示す光減衰器の平面図。
【図１０】同上光減衰器の動作を説明する断面図。
【図１１】（ａ）（ｂ）従来の光減衰器の動作を説明する断面図。
【符号の説明】
【００４３】
１，１１〜１５    光減衰器
２    クラッド部
３    コア部
４    光導波路
５    ヒータ
７    高熱伝導部位
３０    通常コア部
３１    狭小コア部
３２    テーパコア部
４１    放熱基板
【図１】
2005156825.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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