(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に構成された干渉計を含む導波路型光回路と、前記基板の裏面に配設された温度を調節する温度調節器とを有する光導波路モジュールにおいて、前記温度調節器が前記干渉計の相当部位の裏面付近に配設され、前記干渉計の光路長差を付与する光遅延部分全体が前記温度調節器によって形成される等温線に沿って配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項２】
基板上に構成されたアレイ導波路と２つのスラブ導波路とを含む導波路型光回路と、前記基板の裏面に配設された温度を調節する温度調節器とを有する光導波路モジュールにおいて、前記温度調節器が前記アレイ導波路の相当部位の裏面付近に配設され、前記アレイ導波路が前記温度調節器によって形成される等温線に沿って配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項３】
基板上に構成されたアレイ導波路と２つのスラブ導波路とを含む導波路型光回路と、前記基板の裏面に配設された温度を調節する温度調節器とを有する光導波路モジュールにおいて、前記温度調節器が前記導波路型光回路の相当部位の裏面付近に配設され、前記アレイ導波路と前記２つのスラブ導波路とが前記温度調節器によって形成される等温線に沿って配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項４】
基板上に構成された２つの方向性結合器と該２つの方向性結合器を接続する２本のアーム導波路とを含む導波路型光回路と、前記基板の裏面に配設された温度を調節する温度調節器とを有する光導波路モジュールにおいて、前記温度調節器が前記導波路型光回路の裏面付近に配設され、前記２つの方向性結合器と該２つの方向性結合器を接続する前記２本のアーム導波路とが前記温度調節器によって形成される略等温線上に配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項５】
基板上に構成された２つの方向性結合器と該２つの方向性結合器を接続する２本のアーム導波路とを含む導波路型光回路と、前記基板の裏面に配設された温度を調節する温度調節器とを有する光導波路モジュールにおいて、前記温度調節器が前記導波路型光回路の裏面付近に配設され、前記２つの方向性結合器を接続する前記２本のアーム導波路が前記温度調節器によって形成される等温線に沿って配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項６】
基板上に構成された干渉計を含む導波路型光回路と、
前記基板の裏面に配設された温度を調節する１つの温度調節器と
を有する光導波路モジュールにおいて、
前記温度調節器が前記干渉計の相当部位の裏面付近に配設され、前記温度調節器によって形成される基板表面の温度分布の最高温度点又は最低温度点を囲むように、且つ前記温度調節器によって形成される等温線に沿うように、前記干渉計の光路長差を付与する光遅延部分全体が配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項７】
基板上に構成されたアレイ導波路と２つのスラブ導波路とを含む導波路型光回路と、
前記基板の裏面に配設された温度を調節する１つの温度調節器と
を有する光導波路モジュールにおいて、
前記温度調節器が前記アレイ導波路の相当部位の裏面付近に配設され、前記温度調節器によって形成される基板表面の温度分布の最高温度点又は最低温度点を囲むように、且つ前記温度調節器によって形成される等温線に沿うように、前記アレイ導波路が配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項８】
基板上に構成されたアレイ導波路と２つのスラブ導波路とを含む導波路型光回路と、
前記基板の裏面に配設された温度を調節する１つの温度調節器と
を有する光導波路モジュールにおいて、
前記温度調節器が前記導波路型光回路の相当部位の裏面付近に配設され、前記温度調節器によって形成される基板表面の温度分布の最高温度点又は最低温度点を囲むように、且つ前記温度調節器によって形成される等温線に沿うように、前記アレイ導波路と前記２つのスラブ導波路とが配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項９】
基板上に構成された２つの方向性結合器と該２つの方向性結合器を接続する２本のアーム導波路とを含む導波路型光回路と、
前記基板の裏面に配設された温度を調節する１つの温度調節器と
を有する光導波路モジュールにおいて、
前記温度調節器が前記導波路型光回路の裏面付近に配設され、前記温度調節器によって形成される基板表面の温度分布の最高温度点又は最低温度点を前記２本のアーム導波路で囲むように、且つ前記温度調節器によって形成される等温線に沿うように、前記２つの方向性結合器と該２つの方向性結合器を接続する前記２本のアーム導波路とが配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【請求項１０】
請求項１乃至９に記載の光導波路モジュールにおいて、等温線に沿って配置される導波路型光回路が、２．４℃以内、好ましくは２．１℃以内、より好ましくは１．５℃以内の温度帯域幅に配置されたことを特徴とする光導波路モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環境温度に敏感な干渉計を有する導波路型光回路に関するものであり、さらに詳しくは温度調節器を備えた光導波路モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信に用いられる導波路型光回路は、環境温度の変化に敏感である。導波路型光回路としては、シリコンや石英などの基板上にコア、クラッド構造の光導波路を形成する平面型光導波路回路（ＰＬＣ：Plainer Lightwave Circuit）が代表例である。ＰＬＣの一種である、干渉計を有するアレイ導波路型光合分波回路（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）やマッハツェンダ型干渉光回路（ＭＺ：Mach-Zehnder Interferometer）などは、環境温度の変化によって光路長や屈折率が変動するため、波長特性が温度依存性を持つこととなる。
【０００３】
構成要素として干渉計を有する導波路型光回路は、上記のように周辺温度、環境温度に敏感であり、これらの導波路型光回路の温度が設定温度から数度異なると、波長特性が変動することが多い。導波路型光回路の干渉計は、光を分割、合流する部分とその間にあって、分割された光のそれぞれに光路長差を付与する光遅延部分から構成される。ＡＷＧにおける分割、合流部分はスラブ導波路であり、光遅延部分はアレイ導波路である。ＭＺにおける分割、合流部分は方向性結合器であり、光遅延部分はアーム導波路である。
【０００４】
導波路型光回路の温度制御方法としては、ヒータやペルチェ素子に代表される温度調節器がある。ヒータを利用する温度調節器は、ヒータと温度センサから構成され、温度センサからの情報により、ヒータを用いて室温より高い温度、例えば８０℃に一定に保つようヒータで加熱するものである。ペルチェ素子を利用する温度調節器は、ペルチェ素子と温度センサから構成され、温度センサからの情報により、ペルチェ素子で加熱又は冷却して一定の温度に保持するものである。いずれも、導波路型光回路を形成した基板の裏面に配設された温度調節器で、導波路型光回路の温度を制御する。光導波路モジュールは、導波路型光回路に温度調節器を備えたものである。
【０００５】
ヒータやペルチェ素子で加熱又は冷却すると、場所によっては温度分布が生じる。大型のヒータやペルチェ素子、又は複数のヒータやペルチェ素子を使用すると、温度分布差を小さくできるが、温度調節器の大型化や消費電力の上昇を招くこととなる。また、温度センサは導波路型光回路全体の温度を測定しているわけではなく、温度センサ周辺の温度を測定しているに過ぎず、ヒータやペルチェ素子の部分と温度センサとの間で制御誤差を生じる。
【０００６】
従来の光導波路モジュールの基板上の温度分布をサーモビューワ（日本電子データム社製、JTG-7200）で観察し、等温線で表示した結果を図１に示す。図１は、基板の上にＰＬＣの一種であるＡＷＧを構成したものである。図１において、１１は等温線、１２はＰＬＣ基板、１３はアレイ導波路、１４はスラブ導波路、１５は入出力導波路である。図１では等温線間隔は１℃である。図１から分かるように、ＡＷＧ内に複数の等温線が存在しており、ＡＷＧ全体が均一の温度となっているわけではない。ＡＷＧは干渉計を有する導波路型光回路であり、その波長特性は温度に非常に敏感なため、特にアレイ導波路部１３の温度が設計通りの温度でない場合には波長特性が変動する欠点があった。図１では、アレイ導波路１３とスラブ導波路１４は６℃の温度範囲内に配置されている。
【０００７】
従来のＭＺの基板上の温度分布をサーモビューワ（日本電子データム社製、JTG-7200）で観察し、等温線で表示した結果を図２に示す。図２は、基板の上にＰＬＣの一種であるＭＺを構成したものである。図２において、１１は等温線、１２はＰＬＣ基板、３１と３２はアーム導波路、３３は方向性結合器である。図２では等温線間隔は１℃である。図２から分かるように、ＭＺ内に複数の等温線が存在しており、ＭＺ全体が均一の温度となっているわけではない。ＭＺはＡＷＧと同様に、干渉計を有する導波路型光回路であり、その波長特性は温度に非常に敏感なため、特にアーム導波路３１とアーム導波路３２の温度が設計通りの温度でない場合には波長特性が変動する欠点があった。図２では、アーム導波路３１、３２と方向性結合器３３は５℃の温度範囲内に配置されている。
【０００８】
図１又は図２で説明したように、温度調節器を備えたＡＷＧやＭＺは全体が均一の温度ではなく、裏面に配置しているヒータやペルチェ素子からの距離の差により、場所によっては設計温度と異なる温度となっていた。このため、図１におけるアレイ導波路１３やスラブ導波路１４、図２におけるアーム導波路３１、３２や方向性結合器３３のように導波路型光回路の干渉計が等温線を横切るような配置となっていた。この結果、ＡＷＧやＭＺ等のＰＬＣの波長特性が変動する問題が発生していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題を解決するために、導波路型光回路の干渉計又は干渉計の一部が等温線を横切らないような配置とすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明では、導波路型光回路の干渉計又は干渉計の一部を温度調節器によって形成される等温線に沿って配置することにより解決する。
第一発明は、基板上に構成された干渉計を含む導波路型光回路と、前記基板の裏面に配設された温度を調節する温度調節器とを有する光導波路モジュールにおいて、前記温度調節器が前記干渉計の相当部位の裏面付近に配設され、前記干渉計が前記温度調節器によって形成される等温線に沿って配置されたことを特徴とする光導波路モジュールである。
【００１１】
第二発明は、基板上に構成されたアレイ導波路と２つのスラブ導波路とを含む導波路型光回路と、前記基板の裏面に配設された温度を調節する温度調節器とを有する光導波路モジュールにおいて、前記温度調節器が前記アレイ導波路の相当部位の裏面付近に配設され、前記アレイ導波路が前記温度調節器によって形成される等温線に沿って配置されたことを特徴とする光導波路モジュールである。
【００１２】
第三発明は、基板上に構成されたアレイ導波路と２つのスラブ導波路とを含む導波路型光回路と、前記基板の裏面に配設された温度を調節する温度調節器とを有する光導波路モジュールにおいて、前記温度調節器が前記導波路型光回路の相当部位の裏面付近に配設され、前記アレイ導波路と前記２つのスラブ導波路とが前記温度調節器によって形成される等温線に沿って配置されたことを特徴とする光導波路モジュールである。
【００１３】
第四発明は、基板上に構成された２つの方向性結合器と該２つの方向性結合器を接続する２本のアーム導波路とを含む導波路型光回路と、前記基板の裏面に配設された温度を調節する温度調節器とを有する光導波路モジュールにおいて、前記温度調節器が前記導波路型光回路の裏面付近に配設され、前記２つの方向性結合器と該２つの方向性結合器を接続する前記２本のアーム導波路とが前記温度調節器によって形成される等温線に沿って配置されたことを特徴とする光導波路モジュールである。
【００１４】
第五発明は、上記第一発明から第四発明の光導波路モジュールにおいて、等温線に沿って配置される導波路型光回路が、２．４℃以内、好ましくは２．１℃以内、より好ましくは１．５℃以内の温度帯域幅に配置されたことを特徴とする光導波路モジュールである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
本発明の導波路型光回路であるＡＷＧの配置を図３に示す。図３において、１１は等温線、１２はＰＬＣ基板、１３はアレイ導波路、１４はスラブ導波路、１５は入出力導波路である。図３では、等温線間隔は０．５℃である。本実施の形態では、このＡＷＧを構成したＰＬＣ基板の裏面にヒータを直接接触させている。ＰＬＣ基板にヒータを直接接触させている様子を図４に示す。図４において、１２はＰＬＣ基板、２０はアルミニウム製の均熱板、２１は温度調節器である。均熱板２０は、熱伝導率のよいアルミニウムによって、ＰＬＣ基板全体をある程度均一に加熱するために設けてある。温度調節器２１は、ヒータがＰＬＣ基板に直接接触できるような構造となっている。
【００１６】
図３において、等温線１１はサーモビューワ（日本電子データム社製、JTG-7200）によって、実際に測定した温度分布である。ＰＬＣ基板１２の中央部が一番温度の高い部分で、中央の等温線が６９．０℃である。外周に向けて０．５℃間隔の温度分布となっている。図３に示すように、均熱板を設けてもＰＬＣ基板１２全体の温度を均一にすることは困難である。
【００１７】
本実施の形態では、アレイ導波路１３が半円弧状となっていることを利用し、ヒータの加熱中心をアレイ導波路１３の真下からずらせて配置したため、図３に示すように、アレイ導波路１３を６８．５℃と６７．５℃の２本の等温線に沿うように配置することができた。このような、配置とすることにより、アレイ導波路１３の周辺温度を６８．０±０．５℃の温度範囲で実現することができた。
【００１８】
さらに、スラブ導波路１４は、アレイ導波路１３が延長されるような略長方形となっていることを利用し、図３に示すように、アレイ導波路１３のみならず、スラブ導波路１４も含めて、６８．５℃と６７．５℃の２本の等温線に沿わせて配置することができた。このような配置とすることにより、アレイ導波路１３とスラブ導波路１４との周辺温度を設計温度である６８．０±０．５℃の温度範囲で実現することができた。
【００１９】
従来は、温度センサが設置された部分だけが設計値温度で、導波路型光回路の他の部分の温度は設計値温度と異なっていた。本実施の形態では、導波路型光回路を等温線に沿って配置することにより、導波路型光回路を設計温度の範囲に収めることができ、波長特性の変動が生じることはなかった。
【００２０】
また、ＡＷＧにおいてはスラブ導波路の温度分布や温度設定値の設計値とのズレは、主にスラブ導波路の実効屈折率が設計値から変動することになる。この結果、中心ポートから離れた出力ポートにおいて分波波長が設計値からの誤差となる。中心ポートから離れて端ポートに近づく程、この傾向が強くなる。従って、ＡＷＧのスラブ導波路をも等温線に沿わせる図３の構成は、中心ポートから離れた周辺ポートでの波長精度が向上する効果がある。
【００２１】
図３においては、等温線の間隔を０．５℃で表示している。導波路型光回路の設計温度の許容値は、仕様により種々あるが、その多くは±１．２℃である。そのため、導波路型光回路の干渉計が２．４℃の等温線の幅を越えて配置される場合には、設計温度の許容範囲を越えてしまうため、波長特性の変動が生じることとなる。従って、導波路型光回路の干渉計は等温線の間隔が２．４℃以内の幅に配置される必要がある。
【００２２】
ヒータを使用した温度調節器では、ヒータにより加熱し、熱が均熱板で放熱できるようにする。ペルチェ素子を使用した温度調節器では、ペルチェ素子により加熱若しくは冷却し、熱が均熱板から放熱、若しくは均熱板で吸熱できるようにする。図４で説明した均熱板と温度調節器の配置を図５に示す。温度調節器は、ヒータ又はペルチェ素子を熱源としている。図５（ａ）は均熱板と温度調節器の平面図、図５（ｂ）は正面図である。図５（ａ）、（ｂ）において、２０は均熱板、２１は温度調節器、２２は温度センサである。均熱板は図５の形状だけでなく、図６のような形状でもよい。図６（ａ）は均熱板と温度調節器の平面図、図６（ｂ）は正面図である。図６（ａ）、（ｂ）において、２０は均熱板、２１は温度調節器、２２は温度センサである。
【００２３】
また、温度調節器の配置構造を図７に示す。図７（ａ）、（ｂ）において、１２はＰＬＣ基板，２０は均熱板、２１は温度調節器である。図７（ａ）の構造では温度調節器２１がＰＬＣ基板に直接接触する。このため、図７（ａ）の構造では、温度制御の時定数を短くすることができ、環境温度の急変にも追随させることができる。図７（ｂ）の構造では、温度調節器２１は均熱板２０を介して接触する。このため、図７（ｂ）の構造では、比較的温度分布の勾配が緩やかになり、大型のＰＬＣ基板の温度制御も可能になる。
【００２４】
（実施の形態２）
ＡＷＧにおいて、アレイ導波路だけを等温線に沿うように配置しても、光導波回路の波長特性の向上に効果がある。図８は、アレイ導波路だけを等温線に沿うように配置した図である。図８において、１１は等温線、１２はＰＬＣ基板、１３はアレイ導波路、１４はスラブ導波路、１５は入出力導波路である。図８に示すように、ＡＷＧはその種類によっては、スラブ導波路１４がアレイ導波路１３に比べて大きい回路もある。その場合は、アレイ導波路１３と２本のスラブ導波路１４の全てを等温線に沿って配置することは困難なことがある。そこで、本実施の形態のように、アレイ導波路１３だけを等温線に沿うように温度調節器と導波路型光回路を配置しても、波長特性の変動を防ぐ効果がある。
【００２５】
ＡＷＧの干渉計は、光を分割合流するスラブ導波路と、分割された光のそれぞれに光路長差を付与するアレイ導波路から成っている。このうち、アレイ導波路は特に温度に敏感であり、その隣接導波路間の光路長差（導波路長×実効屈折率）の温度分布差によって、干渉波長の波長変動を生じさせる。従って、干渉計の形状によって干渉計全体を等温線内に配置できない場合には、アレイ導波路部分を等温線内に配置することが有効である。
【００２６】
（実施の形態３）
ＡＷＧでは、ＰＬＣ基板を設計温度に設定したとき、中心の出力ポートから特定の波長（設計中心波長）が出力されるように設計されている。しかし、温度調節器で設計温度に設定しても、実際の動作では、アレイ導波路部分の温度分布によって、中心の出力ポートからの出力光の波長は設計中心波長との波長誤差（中心波長誤差）が生じる。
【００２７】
アレイ導波路の温度分布の差（Δ℃）と、中心波長誤差（ｐｍ）を測定した結果を図９に示す。温度分布の測定は、実施の形態１と同じく、サーモビューワ（日本電子データム社製、JTG-7200）によって実際に温度を測定し、そのときの波長誤差を測定した。図９から分かるように、実質上の中心波長誤差の許容範囲が±１０ｐｍ、即ち２０ｐｍ以内であるためには、アレイ導波路の温度分布差は２．４℃以内である必要がある。好ましくは、中心波長誤差の許容範囲が１５ｐｍ以内となる温度分布差２．１℃以内、さらに好ましくは、中心波長誤差の許容範囲が１０ｐｍ以内である温度分布差１．５℃以内である必要がある。
【００２８】
（実施の形態４）
装置の小型化を図るために、同一基板上に２つのＡＷＧを形成することがある。２つのＡＷＧを同一基板上に形成した例を図１０に示す。１１は等温線、１２はＰＬＣ基板、１３はアレイ導波路、１５は入出力導波路、１６はスラブ導波路である。このような配置は、ＡＷＧの一つを合波器とし、他の一つを分波器とする送受一体型の光合分波器を構成するような場合に特に有効である。この場合は２つのＡＷＧを同時に動作させることになる。２つのＡＷＧは同時に動作させるため、同一の温度で動作するように設計する。
本実施の形態では、２つの対向する半円弧上のアレイ導波路１３をそれぞれ、等温線に沿うように配置し、ＡＷＧの中心波長誤差を小さくすることができた。
【００２９】
（実施の形態５）
本発明をＭＺにも適用することができる。図１１は本発明を適用したＭＺ干渉計である。図１１において、１１は等温線、１２はＰＬＣ基板、３１、３２はアーム導波路、３３は方向性結合器である。実施の形態１と同様に、ＰＬＣ基板の裏面には温度調節器が配置してあり、本実施の形態ではペルチェ素子がＰＬＣ基板１２に直接接触するように設置してある。前記温度調節器によって形成される等温線をサーモビューワで把握し、２つの方向性結合器３３と該２つの方向性結合器３３を接続する２本のアーム導波路３１、３２とを前記温度調節器によって形成される等温線１１に沿うように、配置した。図１１から分かるように、ＭＺでは、２本のアーム導波路３１と３２の長さが非対称であるため、２本のアーム導波路３１と３２との間に、裏面のペルチェ素子の加熱又は冷却の中心を位置させた。
【００３０】
その結果、図２で説明したように、従来のＭＺではアーム導波路を等温線が横切っており、温度センサを用いて設計通りの温度に制御することは困難であったが、本発明の等温線を利用した配置構造を取ることにより、アーム導波路と方向性結合器を簡単に設計温度内に設定できるようになり、波長特性の誤差がなくなった。
【００３１】
ＭＺでは、２本のアーム導波路３１、３２を等温線１１に沿って配置するだけでも、ある程度の波長特性の変動を防止できる。しかし、方向性結合器３３を２本のアーム導波路３１、３２と異なる等温線に配置すると、方向性結合器３３の温度分布差や設定温度からの変動によって、分岐比が５０％からずれ、方向性結合器のクロス側出力とスルー側出力の振幅が不均衡となる。従って、ＭＺの方向性結合器も等温線に沿って配置することにより、波長精度とともに振幅精度の優れたＭＺを得ることができる。
【００３２】
本発明は、前述したＡＷＧ又はＭＺに限定されず、干渉計を有し、その光路長差の絶対量を温度で制御するような光導波路モジュールに広く適用することができる。導波路型光回路の他の例としては導波路に屈折率変化を形成する導波路グレーティング等がある。前述のＡＷＧやＭＺでは、干渉計部分が広い領域に形成されるため、温度分布の影響を受けやすく、従って干渉計部分を一定温度範囲内とする本発明の効果は特に大きい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導波路型光回路の干渉計又は干渉計の一部を等温線に沿って配置することにより、導波路型光回路を設計温度以内に保持することができるようになった。この結果、ＡＷＧやＭＺ等のＰＬＣの波長特性の変動を抑圧することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の配置によるＡＷＧの構造を説明する図である。
【図２】従来の配置によるＭＺの構造を説明する図である。
【図３】本発明による等温線に沿って配置したＡＷＧの配置構造を説明する図である。
【図４】本発明に適用する温度調節器と均熱板の構造を説明する図である。
【図５】本発明に適用する均熱板と温度調節器の配置を説明する図である。
【図６】本発明に適用する均熱板と温度調節器の配置を説明する図である。
【図７】本発明に適用する均熱板と温度調節器の他の配置を説明する図である。
【図８】本発明による等温線に沿ってアレイ導波路を配置したＡＷＧの配置構造を説明する図である。
【図９】アレイ導波路の温度分布の差（Δ℃）と、中心波長変動（ｐｍ）を測定した結果を説明する図である。
【図１０】本発明による等温線に沿って配置したＡＷＧの配置構造を説明する図である。
【図１１】本発明による等温線に沿って配置したＭＺの配置構造を説明する図である。
【符号の説明】
１１：等温線
１２：平面型光導波路回路（ＰＬＣ：Plainer Lightwave Circuit）基板
１３：アレイ導波路
１４：スラブ導波路
１５：入出力導波路
１６：スラブ導波路
２０：均熱板
２１：温度調節器
２２：温度センサ
３１、３２：アーム導波路
３３：方向性結合器
【図１】
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【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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