(57)【要約】【課題】  信号光の減衰制御を精密かつ安定して行うことができる。【解決手段】  基板上に、入力導波路１２と出力導波路間１３に２本の分岐導波路１４，１５を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、一方の分岐導波路１４上方に形成された薄膜ヒータの通電により信号光の利得減衰を調整する導波路型可変光減衰器１０において、一方の分岐導波路１４上方に抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータ１８，１９を設け、各薄膜ヒータ１８，１９に、電源２３，２４を個別に接続したものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、一方の分岐導波路上方に形成された薄膜ヒータの通電により信号光の利得減衰を調整する導波路型可変光減衰器において、一方の分岐導波路上方に抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータを設け、各薄膜ヒータに電源を個別に接続したことを特徴とする導波路型可変光減衰器。
【請求項２】
基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、一方の分岐導波路上方に形成された薄膜ヒータの通電により信号光の利得減衰を調整する導波路型可変光減衰器において、一方の分岐導波路上方に抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータを設け、各薄膜ヒータを電源に並列に接続し、複数の各薄膜ヒータに可変抵抗を直列接続したことを特徴とする導波路型可変光減衰器。
【請求項３】
上記抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータが同じ材料で形成され、形状が異なる請求項１または２に記載の導波路型可変光減衰器。
【請求項４】
上記複数の薄膜ヒータの抵抗値は、最も小さい抵抗値をＲとしたとき、他の薄膜ヒータの抵抗値がＲ×Ｃn （Ｃは定数）である請求項１から３いずれかに記載の導波路型可変光減衰器。
【請求項５】
基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、一方の分岐導波路上方に形成された薄膜ヒータに通電し、信号光の減衰利得を調整する導波路型可変光減衰器の制御方法において、
一方の分岐導波路上方には抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータを設け、該薄膜ヒータにそれぞれ電源を接続し、抵抗値の小さい薄膜ヒータに通電して信号光の減衰利得を粗調整すると共に、抵抗値の大きい薄膜ヒータに通電して信号光の減衰利得を微調整することを特徴とする導波路型可変光減衰器の減衰利得制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野で広く用いられる導波路型可変光減衰器及びその減衰利得制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に様々な光導波路素子が用いられているが、特に、光を減衰させるための光導波路素子として、導波路型可変光減衰器が用いられている。
【０００３】
図４に示すように、導波路型可変光減衰器４０は、基板上に形成された入力導波路４２と出力導波路４３間に２本の分岐導波路４４，４５を有するマッハツェンダ型光導波路が形成されている。一方の分岐導波路４４上方のクラッド表面には位相シフタとなる薄膜ヒータ４９と、薄膜ヒータ４９の両端に接続される電極膜５０，５０が形成される。電極膜５０，５０は、薄膜ヒータ４９に電圧を印加するため、リード線５１，５１を介して電源に接続されている。
【０００４】
可変光減衰器４０は、薄膜ヒータ４９に電圧を印加することで一方の分岐導波路４４を加熱され、分岐導波路４４の屈折率を変化させる。これにより、信号光は、入力側Ｙ分岐部４７で分岐され、両分岐導波路４４，４５を伝搬する信号光に位相差がつき、出力側Ｙ分岐部４８において光干渉により光減衰される。可変光減衰器４０の設計段階において、マッハツェンダ型光導波路における両分岐導波路４４，４５の光路長差と、薄膜ヒータ４９による温度変化（印加電圧値）との関係から目的の値に設計して所望の光減衰量を得る。
【０００５】
一本の分岐導波路に抵抗値の温度係数の絶対値が等しく、符号が互いに異なる薄膜ヒータを２つ直列接続することにより、環境温度に対して安定な導波路型可変光減衰器がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、複数の導波路型可変光減衰器を直列に多段接続すると共に、各導波路型光減衰器の薄膜ヒータへの通電を互いに連動させることにより、全体として一つの減衰制御特性を得るようにして、減衰利得を安定化させるものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３６５５９７号公報
【特許文献２】特開２００３−５１３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の、干渉を利用して信号光の減衰制御を行う導波路型可変光減衰器４０では、電圧印加による薄膜ヒータ４９での消費電力に対して、減衰利得が指数関数的に変化する。つまり、減衰利得が小さい範囲は、薄膜ヒータ４９の消費電力に対して減衰利得は殆ど変化しないが、減衰利得が大きい範囲では、減衰利得が薄膜ヒータ４９の消費電力に対して大幅に変化する。そのため、減衰制御を安定に行うことが困難であるという問題があった。
【０００９】
また、複数の導波路型可変光減衰器を直列多段接続したものは、必然的に全体の光減衰器長が長くなり、光減衰器の高集積化や小型化が困難である。
【００１０】
また、特許文献１に示すような導波路型光減衰器は、薄膜ヒータの材料を異なるものにしなければならず、製造工程において、クラッド上に薄膜ヒータとなる材料を２回成膜しなければならない。ヒータ材料の成膜工程数が多いので、クラッドと薄膜ヒータ間の線膨張係数差により応力が発生してしまう場合がある。この応力は、光導波路の偏波依存性に影響し、マッハツェンダ型導波路においては、消光比の劣化に影響してしまう。また、抵抗の温度係数を金属膜の成膜段階から調整することは難しい。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、信号光の減衰制御を、精密かつ安定して行うことのできる導波路型可変光減衰器及び減衰利得制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、一方の分岐導波路上方に形成された薄膜ヒータの通電により信号光の利得減衰を調整する導波路型可変光減衰器において、一方の分岐導波路上方に抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータを設け、各薄膜ヒータに電源を個別に接続した導波路型可変光減衰器である。
【００１３】
請求項２の発明は、基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、一方の分岐導波路上方に形成された薄膜ヒータの通電により信号光の利得減衰を調整する導波路型可変光減衰器において、一方の分岐導波路上方に抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータを設け、各薄膜ヒータを電源に並列に接続し、複数の各薄膜ヒータに可変抵抗を直列接続した導波路型可変光減衰器である。
【００１４】
請求項３の発明は、上記抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータが同じ材料で形成され、形状が異なる導波路型可変光減衰器である。
【００１５】
請求項４の発明は、上記複数の薄膜ヒータの抵抗値は、最も小さい抵抗値をＲとしたとき、他の薄膜ヒータの抵抗値がＲ×Ｃn （Ｃは定数）である導波路型可変光減衰器である。
【００１６】
請求項５の発明は、基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、一方の分岐導波路上方に形成された薄膜ヒータに通電し、信号光の減衰利得を調整する導波路型可変光減衰器の制御方法において、一方の分岐導波路上方には抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータを設け、該薄膜ヒータにそれぞれ電源を接続し、抵抗値の小さい薄膜ヒータに通電して信号光の減衰利得を粗調整すると共に、抵抗値の大きい薄膜ヒータに通電して信号光の減衰利得を微調整する導波路型可変光減衰器の減衰利得制御方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、信号光の減衰制御を安定に行うことができるといった優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１は本発明に係る導波路型可変光減衰器の好適な実施の形態を示した上面図である。
【００２０】
図１に示すように、導波路型可変光減衰器１０は、基板上に形成されたコア（光導波路）と、コアを覆うクラッドと、薄膜ヒータと、電極膜とを備える。
【００２１】
光導波路は、入力導波路１２と、出力導波路１３と、入出力導波路１２，１３間に形成され、Ｙ分岐部１６，１７で分岐された導波路長の等しい２本の分岐導波路１４，１５とで構成されたマッハツェンダ型光導波路とを備える。この光導波路１２，１３，１４，１５は、石英基板上にＣＶＤ法を用いてＧｅ添加ＳｉＯ2 膜を成膜し、Ｇｅ添加ＳｉＯ2 膜をフォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術を用いて光導波路（コア）のパターンを形成し、その光導波路を火炎堆積法、或いはＣＶＤ法を用いてコアを覆うクラッドを形成したものである。
【００２２】
一方の分岐導波路１４上方のクラッド１１表面には、位相シフタとなる２つの薄膜ヒータ１８，１９が所定距離を隔てて形成される。薄膜ヒータ１８、１９は、各々抵抗値が異なり、分岐導波路１４に対して直交するよう配置される。本実施の形態では、薄膜ヒータ１８，１９を、同じ金属材料で、長さが等しい長方形に形成し、幅を異なる値にすることで抵抗値が異なるようにした。ここで薄膜ヒータ１８，１９の幅はヒータに電流の流れる方向と垂直な方向の距離を表し、薄膜ヒータ１８，１９長さは電流の流れる方向と平行な方向の長さを表す。分岐導波路１４上方に形成した複数の薄膜ヒータ１８の幅は、薄膜ヒータ１９の半分である。
【００２３】
このように、薄膜ヒータを複数形成する場合は、ヒータ幅が最も広い薄膜ヒータに対して、他の薄膜ヒータの幅が１／２，１／４…に設計されており、すなわち、幅の最も広い薄膜ヒータの抵抗値が最小であり、他の薄膜ヒータの抵抗値が２倍、４倍…となっている。さらに、各薄膜ヒータの抵抗値の関係は、最小の抵抗値Ｒに対して、他の抵抗値がＲ×２n 倍であることに限られず、最小の抵抗値Ｒに対して、他の抵抗値はＲ×Ｃn 倍の関係にあればよい（Ｃは定数）。
【００２４】
本実施の形態では、薄膜ヒータ１８の幅を３０μｍ、抵抗値４００Ωとし、薄膜ヒータ１９の幅を６０μｍ、抵抗値を２００Ωとした。
【００２５】
薄膜ヒータ１８の両端には、電極膜２１，２０が形成され、薄膜ヒータ１９の一端には電極膜２２が形成され、薄膜ヒータ１９の他端には電極２０が接続されている。薄膜ヒータ１８は、電極膜２０，２１に接続され、電極膜２０はリード線２５、電極膜２１はリード線２６を介して電源２３に接続されており、薄膜ヒータ１９は、電極膜２０，２２に接続され、電極膜２０はリード線２５、電極膜２２はリード線２７を介して電源２４に接続されている。即ち、薄膜ヒータ１８と電源２３は一つの閉回路を構成しており、薄膜ヒータ１９と電源２４は一つの閉回路を構成している。
【００２６】
分岐導波路１４上方に形成される薄膜ヒータは３つ以上でもよい。また、薄膜ヒータ１８，１９及び電極膜２０，２１，２２は、クラッド１１上面に金属膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、薄膜ヒータ１８，１９と電極膜２０，２１，２２のパターンを形成した。
【００２７】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００２８】
入力導波路１２に入射された信号光はＹ分岐部１６で等分岐し、それぞれ分岐導波路１４，１５を伝搬して、Ｙ分岐部１７で合流し、出力導波路１３へ伝搬する。その際、薄膜ヒータ１８，１９は、電源２３，２４により通電される。薄膜ヒータ１８，１９からの熱により、分岐導波路１４は熱光学効果で屈折率が変化し、分岐導波路１４，１５間の光路長差が異なる。すなわち、薄膜ヒータ１８，１９が分岐導波路１４を伝搬する信号光の位相シフタの役割を果たし、それぞれ光路長差の異なる分岐導波路１４，１５を伝搬した信号光は分岐部１７で合流する際に干渉して減衰する。
【００２９】
可変光減衰器１０は、薄膜ヒータ１８，１９への印加電圧を変化させることで薄膜ヒータ１８，１９の温度を変化させ、その熱光学効果により分岐導波路１４の屈折率（光路長）を変化させており、ヒータ温度、即ち、印加電圧を調整することにより信号光の減衰量を自在に制御することができる。
【００３０】
本実施の形態の可変光減衰器１０の特徴は、一本の分岐導波路１４上に形成された抵抗値の異なる薄膜ヒータ１８，１９の温度を別々に調整して、分岐導波路１４，１５間の光路長差を制御し、信号光の減衰利得を制御することにある。
【００３１】
熱光学効果による分岐導波路１４の屈折率変化は薄膜ヒータ１８，１９の発熱量に比例する。また、薄膜ヒータ１８，１９の発熱量については、同じ電圧制御範囲にあるとき、抵抗値が最小のもの（薄膜ヒータ１９）が最大消費電力、すなわち、最大発熱量が最も大きく、抵抗値が最大のもの（薄膜ヒータ１８）が最大発熱量が最も小さい。
【００３２】
図２に示すように、ヒータ薄膜１８，１９の消費電力と印加電圧との関係は指数関数的な関係にあると共に、抵抗値の違いにより、その特性は異なる。例えば、抵抗値が４００Ωの薄膜ヒータ１８は、抵抗値が２００Ωのヒータ１９に対して、同電圧が印加されたとき、ヒータ１９の消費電力はヒータ１８の消費電力の半分となる。
【００３３】
抵抗値４００Ωの薄膜ヒータ１８，抵抗値２００Ωの薄膜ヒータ１９にそれぞれ接続された電源２３，２４では０〜１０Ｖの電圧を印加するとする。減衰利得の制御方法は、薄膜ヒータ１９に電圧を印加して消費電力０〜０．５Ｗ間で、所望の消費電力（光減衰量）付近となる電圧を０〜１０Ｖの範囲で粗調整する。薄膜ヒータ１９の印加電圧を固定しながら、薄膜ヒータ１８に電圧を印加して、所望の消費電力になるよう微調整する。薄膜ヒータ１８の消費電力は０〜０．２５Ｗであり、薄膜ヒータ１９と同じ電圧範囲でも薄膜ヒータ１９の半分の消費電力範囲となる。これにより、薄膜ヒータ１８では、薄膜ヒータ１９の減衰利得が大きくても、薄膜ヒータ１９より細かく消費電力を調整することができる。
【００３４】
よって、減衰利得制御方法として、抵抗値の小さい薄膜ヒータ１９の印加電圧を調整して信号光の減衰利得を粗調整すると共に、抵抗値の大きい薄膜ヒータ１８の印加電圧を調整して信号光の減衰利得を微調整することで、精密な減衰利得を得ることができる。
【００３５】
導波路型可変光減衰器は、光ネットワーク間に設置されたＥＤＦＡ等の光増幅器やＡｄｄ−Ｄｒｏｐ等による信号の強弱が発生するので、導波路型可変光減衰器自体のダイナミックレンジを広くする必要がある。さらに、導波路型可変光減衰器の設置環境温度の変化に対応するために微小な調整をも行う必要がある。本実施の形態の導波路型可変光減衰器１０は、抵抗値の異なる薄膜ヒータを複数形成して、減衰利得のレンジに応じて薄膜ヒータ毎に粗調整及び微調整することができるので、減衰利得の制御範囲を広くすることができると共に、環境温度に対しても安定な減衰利得の制御を行うことができる。
【００３６】
本実施の形態では、各薄膜ヒータの抵抗値の関係を、最小の抵抗値Ｒに対して、他の抵抗値がＲ×２n 倍となるように設計したが、減衰利得のダイナミックレンジに応じて、他の抵抗値をＲ×Ｃn 倍としてもよい。
【００３７】
薄膜ヒータ１８，１９の抵抗値は、ヒータ形状で調整している。よって、薄膜ヒータ１８，１９を形成する際、その幅や長さを変えることで抵抗値を変えることができ、抵抗値の調整が容易にすることができる。また、薄膜ヒータ１８，１９の抵抗値を形状で調整しているので、同じ材料で抵抗値の異なる複数の薄膜ヒータを形成することができ、ヒータ材料を一度にクラッド１１上面へ成膜することができる。これは、ヒータ材料である金属膜の成膜回数を抑えることで、マッハツェンダ型光導波路の消光比に影響を与える応力の増加を抑える効果がある。
【００３８】
さらに、本実施の形態の可変光減衰器１０は、光減衰器を多段接続することなく、減衰利得制御を安定して行うことができるので、容易に高集積化、小型化することができる。
【００３９】
次に、本発明に係る導波路型可変光減衰器の他の実施の形態について説明する。
【００４０】
図３に示すように、導波路型可変光減衰器３０は、可変光減衰器１０の薄膜ヒータと電源の接続形態を変化させたものである。基本的な構成部分は、上述した図１の可変光減衰器１０とほぼ同様であり、同一構成部分には、図１の場合と同一の符号を付した。
【００４１】
可変光減衰器３０の可変光減衰器１０と異なる点は、２つの薄膜ヒータ１８，１９を電源３１に並列に接続すると共に、薄膜ヒータ１８、１９に接続された電極膜２１，２２にそれぞれ可変抵抗３２，３３を直列に接続した点である。
【００４２】
導波路型可変光減衰器３０は、上述の導波路型可変減衰器１０と同様の作用効果を有する。ただし、信号光の利得減衰制御は、各薄膜ヒータ１８，１９が電圧を印加する電源３１に並列に接続されているので、可変抵抗３２，３３の抵抗値を変えることにより行う。薄膜ヒータ１８，１９に接続された可変抵抗３２，３３の抵抗値を別々に調整することで、薄膜ヒータ１８，１９の消費電力をそれぞれ別々に制御することができる。よって、上述の可変光減衰器１０と同様に、抵抗値の小さい薄膜ヒータ１９，で減衰利得の粗調整を行うと共に、抵抗値の大きい薄膜ヒータ１８で減衰利得の微調整を行うことで、精密で安定した減衰利得の制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施の形態の導波路型可変光減衰器を示す上面図である。
【図２】薄膜ヒータにおける印加電圧と消費電力との関係を示す図である。
【図３】他の実施の形態の導波路型可変光減衰器を示す上面図である。
【図４】従来の導波路型可変光減衰器を示す上面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  導波路型可変光減衰器
１２  入力導波路
１３  出力導波路
１４，１５  分岐導波路
１８，１９  薄膜ヒータ
２３，２４  電源
【図１】
2005292201.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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