(57)【要約】    【目的】応答性に優れ且つ消費電力が小さい可変波長分散補償素子を提供する。    【構成】Si基板51と、この上に形成されたチャープト回折格子532を有する光導波路55と、チャープト回折格子532の部分の温度および温度分布を調節するために光導波路55上に形成された複数のマイクロヒーター56と、で構成し、チャープト回折格子532の部分の直下のSi基板51をエッチングし、光導波路55を構成するアンダークラッド層52およびオーバークラッド層54からなる30μm程度の厚さのダイアフラムでチャープト回折格子532の部分を保持している。【選択図】        図１
2005134740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に形成された回折格子を有する光導波路と、この光導波路の光軸に沿って設けられた複数のヒーターと、を備えた可変波長分散補償素子であって、
前記光導波路が、シリコンと同等の熱膨張係数を有する酸化シリコンを主成分とするアンダークラッド層およびオーバークラッド層と、前記両層の間に形成され且つ両層より大きな屈折率を有するコアと、で構成され、
前記光導波路の回折格子を有する部分は、シリコン基板が除去されてダイアフラム状となったアンダークラッド層およびオーバークラッド層で保持されている、
ことを特徴とする可変波長分散補償素子。
【請求項２】
前記回折格子として、チャープト回折格子を有している、
ことを特徴とする請求項１に記載の可変波長分散補償素子。
【請求項３】
前記回折格子として、格子間隔が漸減する複数のブラッグ回折格子を有しており、
個々のブラッグ回折格子にそれぞれのヒーターを備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載の可変波長分散補償素子。
【請求項４】
前記シリコン基板の光導波路とは反対側の面に、ペルチェ素子を備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載の可変波長分散補償素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光通信システムにおける伝送路である光ファイバの波長分散を補償する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、高速化、大容量化に伴って波長分割多重（ＷＤＭ）システム等の多チャンネルを広範囲な波長帯域で伝送することが必要となってきている。これに伴い、伝送路である光ファイバの波長分散を高精度で補償することが要求されている。
図７は従来技術による波長分散の補償方法を示す概念図である。従来の波長分散補償としては、伝送用光ファイバとしてのシングルモードファイバ３に直列に、この光ファイバ３とは符号の異なる波長分散量を有する波長分散補償用光ファイバ（図7では分散補償ファイバ）４を挿入して、伝送路全体としての波長分散量をゼロとするものが実用化されている。また、チャープト回折格子を有する光ファイバまたは光導波路によって波長分散を補償するものも開発されている。
その一方で、実際の光通信システムでは、伝送用光ファイバの温度変動や外力による歪み等で伝送用光ファイバ中の波長分散量が時間と共に変化するという問題もある。しかし、上述した波長分散補償用光ファイバやチャープト回折格子を有する光ファイバまたは光導波路等による波長分散補償では、補償できる波長分散量が一定であるため、時間と共に変化する波長分散に対しては対応できず、高精度な波長分散補償は不可能である。
【０００３】
今後予想される通信容量の増大に対しては、時間と共に変化する波長分散にも対応できる可変の波長分散補償が必要であると考えられ、このような機能を有する可変波長分散補償器が、特許文献１および特許文献２に開示されている。いずれも、チャープト回折格子等の回折格子を有する光導波路の温度分布を複数のヒーターで制御することによって、波長分散の補償量を可変としている。
【特許文献１】特開2003−66388号公報
【特許文献２】特開2000−235170号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高精度な波長分散補償が可能な可変の波長分散補償の方式として、光ファイバにチャープト回折格子等を形成する場合には、光ファイバ自体がシングルモードファイバの場合で約125μm程度の太さを有し、この光ファイバにヒーターを取り付けるための接着剤やヒーターの支持体が必要である。このため、熱容量が大きくなり、その結果として、高速な温度制御が難しくて応答性が低く、消費電力も大きくなる、という問題をもっている。また、光導波路にチャープト回折格子等の回折格子を形成する場合には、光導波路は基板上に形成されるが、光導波路を構成するアンダークラッド層およびオーバークラッド層としては、通常、酸化シリコンを主成分とする厚さ20〜30μmの層が用いられるので、この膜の成膜時に発生する応力に耐えられるだけの強度が基板に要求され、このために、基板の厚さは500μm以上となる。この厚い基板の熱容量のために、光ファイバの場合と同様に、熱容量が大きくなるので、高速な温度制御が難しくて応答性が低く、消費電力も大きくなる、という問題をもっている。
【０００５】
この発明は、このような問題点を解消して、応答性に優れ且つ消費電力が小さい可変波長分散補償素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、シリコン基板上に形成された回折格子を有する光導波路と、この光導波路の光軸に沿って設けられた複数のヒーターと、を備えた可変波長分散補償素子であって、前記光導波路が、シリコンと同様の熱膨張係数を有する酸化シリコンを主成分とするアンダークラッド層およびオーバークラッド層と、前記両層の間に形成され且つ両層より大きな屈折率を有するコアと、で構成され、前記光導波路の回折格子を有する部分は、シリコン基板が除去されてダイアフラム状となったアンダークラッド層およびオーバークラッド層で保持されている。
光導波路の回折格子を有する部分は、シリコン基板が除去されてダイアフラム状となったアンダークラッド層およびオーバークラッド層で保持されているので、ヒーターで温度を制御する部分の熱容量が大幅に低減して、応答性が大幅に向上し、消費電力が大幅に低減する。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記回折格子として、チャープト回折格子を有している。
チャープト回折格子は波長分散補償に最適の回折格子である。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記回折格子として、格子間隔が漸減する複数のブラッグ回折格子を有しており、個々のブラッグ回折格子にそれぞれのヒーターを備えている。
回折格子を格子間隔の漸減する複数のブラッグ回折格子とすることによって、チャープト回折格子と同様の機能を得ることができる。
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記シリコン基板の光導波路とは反対の面にペルチェ素子を備えている。
【０００８】
シリコン基板の光導波路とは反対の面の温度をペルチェ素子によって室温以下の一定温度に制御することによって、光導波路からの放熱が促進されるので、応答性を更に向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明においては、光導波路の回折格子を有する部分は、シリコン基板が除去されてダイアフラム状となったアンダークラッド層およびオーバークラッド層で保持されているので、ヒーターで温度制御する部分の熱容量が大幅に低減して、応答性が大幅に向上し、消費電力が大幅に低減する。したがって、この発明によれば、応答性に優れ且つ消費電力が小さい可変波長分散補償素子を提供することができる。
請求項２の発明においては、回折格子としてチャープト回折格子を有しているが、チャープト回折格子は波長分散補償に最適の回折格子である。
請求項３の発明においては、回折格子として格子間隔が漸減する複数のブラッグ回折格子を有しており、個々のブラッグ回折格子にそれぞれのヒーターを備えているが、このような複数のブラッグ回折格子およびヒータ−の組み合わせでチャープト回折格子および複数のヒーターの組み合わせと同様の機能を得ることができる。
【００１０】
請求項４の発明においては、シリコン基板の光導波路とは反対の面にペルチェ素子を備えているので、光導波路を形成されているシリコン基板がペルチェ素子によって室温以下の一定温度に制御されることによって、光導波路からの放熱が促進され、応答性を更に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明による可変波長分散補償素子の最良の形態について実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、この発明による可変波長分散補償素子の実施例1の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図であり、図２はその製造工程を示す断面図である。
この実施例の可変波長分散補償素子５は、シリコン基板（図ではSi基板）51と、この上に形成されたチャープト回折格子532を有する光導波路55と、チャープト回折格子532の温度および温度分布を調節するために光導波路55上に形成された複数のマイクロヒーター56と、で構成され、光導波路55のチャープト回折格子532を有する部分は、シリコン基板51がエッチングされている。光導波路55は、酸化シリコンを主成分としシリコンと同等の熱膨張係数をもつアンダークラッド層（図ではＵＣ層）52およびオーバークラッド層（図ではＯＣ層）54と、両層の間に形成され且つ両層より大きな屈折率を有するコア531と、で構成され、シリコン基板51がエッチングされた部分は、アンダークラッド層52およびオーバークラッド層54がダイアフラム状となって、光導波路55のチャープト回折格子532を有する部分を保持している。
【００１３】
ここでこの可変波長分散補償素子５の製造工程を説明する。
まず、シリコン基板51上にＣＶＤ法によってアンダークラッド層52およびコア層53を形成する［図２(ａ)］。次に、コア層53をドライエッチングによって10μm程度の幅のコア531に加工し、その上にオーバークラッド層54をアンダークラッド層52と同様にＣＶＤ法で形成する［図２(ｂ)］。アンダークラッド層52およびオーバークラッド層54は、厚さが10~20μmであって、酸化シリコンを主成分として燐やホウ素、フッ素等が添加されており、シリコンに極めて近い熱膨張係数を有している。コア層53は、厚さが５〜８μmであって、酸化シリコンを主成分としてゲルマニウムが添加されており、アンダークラッド層52およびオーバークラッド層54より数％大きい屈折率を有する。アンダークラッド層52とコア531とオーバークラッド層54とで光導波路55が構成される。
【００１４】
続いて、二光束干渉法あるいは位相マスク法を用いて、紫外線レーザによりコア531にチャープト回折格子532を形成する［図２(ｃ)］。次に、光導波路55のチャープト回折格子532を有する部分の上に、マイクロヒーター56の発熱体となるクロム等および電極パッド561およびリードとなるアルミ等を成膜し、ドライエッチングまたはウェットエッチングでマイクロヒーター56の形状にパターニングする［図２(ｄ)］。最後に、シリコン基板51の光導波路55側ではない側の面から、光導波路55のチャープト回折格子532を有する部分のシリコン基板51を、光導波路55が中心となるようにしてドライエッチング等でエッチングしてエッチング部511を形成する。その結果、アンダークラッド層52およびオーバークラッド層54で厚さ30μm程度のダイアフラムが形成される［図１(ｂ)］。以上の工程で可変波長分散補償素子５が完成する。ダイアフラムの幅は、加熱された光導波路55の熱放散に関係し、例えば100μmに設定される。
【００１５】
なお、シリコン基板51のエッチングの際には、アンダークラッド層52がストップエッチ層となる。
このような可変波長分散補償素子５においては、チャープト回折格子532の格子間隔が広い方で長波長の光が反射され、狭い方で短波長の光が反射される。したがって、マイクロヒーター56を制御することによってチャープト回折格子532に温度分布をつけ、熱膨張による格子間隔の変化を利用して格子間隔の分布状態を調節すれば、信号光の長波長側の光と短波長側の光との反射位置の距離を調節することができるので、変動する波長分散を補償することができる。すなわち、波長分散の補償量を可変にすることができる。しかも、光導波路55のチャープト回折格子532のある部分は、アンダークラッド層52およびオーバークラッド層54からなる厚さ30μm程度のダイアフラムで保持されているので、熱容量が小さく、その結果として、温度制御のためにマイクロヒーター56に投入する電力が少なくて済み、且つ補償の応答性が大幅に向上する。
【実施例２】
【００１６】
図３は、この発明による可変波長分散補償素子の実施例２の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図であり、図４は実施例２の製造工程の前半を示す断面図である。
この実施例の可変波長分散補償素子5aは、実施例１ではオーバークラッド層54の表面に形成したマイクロヒーター56を、シリコン基板51の表面側に作り込んだ形で形成したものであり、この実施例のマイクロヒーター56aは光導波路55の裏側に配置されている。
この可変波長分散補償素子5aの製造工程は以下のとおりである。
まず、シリコン基板51の光導波路55形成面に、マイクロヒーター56aのパターンの凹みをドライエッチングまたはウェットエッチングによって形成し、その面にシリコン基板51とマイクロヒーター56aとを絶縁するための酸化シリコン膜（図ではSiO2膜）58を成膜する［図４(ａ)］。エッチングの深さは、マイクロヒーター56aの熱容量および膜応力を抑制するために２μm以下としている。次に、酸化シリコン膜58と密着性の良いクロム等の発熱体用金属およびアルミ等の電極パッド用金属を酸化シリコン膜58の上にスパッタリング等によって成膜し、続いて、凹み内の金属膜だけを残すようにこの成膜面を研磨して、凹み内にはない金属膜を除去し且つ表面を平坦化する。この結果として、マイクロヒーター56aが形成される［図４(ｂ)］。
【００１７】
平坦化された面上に、実施例１の図２(ａ)から図２(ｃ)に相当する工程でチャープト回折格子532を有する光導波路55を形成し［図４(ｃ)］、実施例１と同様にシリコン基板51をエッチングしてエッチング部511を形成する［図３(ｂ)］。以上の工程によって、可変波長分散補償素子5aが完成する。この実施例の場合には、酸化シリコン膜58がストップエッチ層となる。
なお、マイクロヒーター56aの電極パッド561を露出させるために、この部分の上に成膜されたアンダークラッド層52およびオーバークラッド層54は除去される。
この実施例による可変波長分散補償素子5aも、実施例１の可変波長分散補償素子５と同等の機能を有する。
【実施例３】
【００１８】
図５は、この発明による可変波長分散補償素子の実施例３の構成を示す断面図である。
この実施例の可変波長分散補償素子5bは、シリコン基板51の下面にペルチェ素子59を備えており、ペルチェ素子59でシリコン基板51を所定温度まで冷却することによって、チャープト回折格子532を有する光導波路の冷却速度がより速くなり、波長分散補償の応答性がより良くなる。この結果、より高機能の可変波長分散補償素子が得られる。
【実施例４】
【００１９】
図６は、この発明による可変波長分散補償素子の実施例４の構成を示す断面図である。
この実施例の可変波長分散補償素子5cは、実施例１のチャープト回折格子532を複数のブラッグ回折格子533に置き換えたものであり、個々のブラッグ回折格子533に対応して複数のマイクロヒーター56aおよび複数のエッチング部511aが形成されている。
ブラッグ回折格子533毎にマイクロヒーター56aの投入電力を調節して、全体として所定の温度および温度分布に制御することによって、チャープト回折格子の場合と同様に、変動する波長分散を補償することができる。個々のブラッグ回折格子533に対応して複数のエッチング部511aが形成されているので、実施例１と同様の速い応答性が得られる。なお、複数のエッチング部511aを実施例１と同様の１つにつながったエッチング部とすることも可能であるが、機械的強度の観点から比較すると、個々のブラッグ回折格子533に対応した複数のエッチング部511aの方が優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明による可変波長分散補償素子の実施例1の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図
【図２】実施例１の製造工程を示す断面図
【図３】この発明による可変波長分散補償素子の実施例２の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図
【図４】実施例２の製造工程の前半を示す断面図
【図５】この発明による可変波長分散補償素子の実施例３の構成を示す断面図
【図６】この発明による可変波長分散補償素子の実施例４の構成を示す断面図
【図７】従来技術による波長分散の補償方法を示す概念図
【符号の説明】
【００２１】
１  光送信器
２  光受信器
３  シングルモードファイバ
４  分散補償ファイバ
５、5a、5b、5c  波長分散補償素子  
51  シリコン基板（図ではSi基板）
511、511a  エッチング部
52  アンダークラッド層（図ではＵＣ層）
53  コア層
531  コア
532  チャ―プト回折格子
533  複数のブラッグ回折格子
54  オーバークラッド層（図ではＯＣ層）
55  光導波路
56、56a  マイクロヒーター
561  電極パッド
57  ダイアフラム
58  酸化シリコン膜（図ではSiO2膜）
59  ペルチェ素子
【図１】
2005134740.tif 000003
【図２】
2005134740.tif 000004
【図３】
2005134740.tif 000005
【図４】
2005134740.tif 000006
【図５】
2005134740.tif 000007
【図６】
2005134740.tif 000008
【図７】
2005134740.tif 000009