(57)【要約】【課題】マッハツェンダ干渉計とアレイ導波路回折格子とから構成される波長合分波器をアサーマル化する。【解決手段】本発明の一実施形態による波長合分波器２００は、マッハツェンダ干渉計とアレイ導波路回折格子とから構成される。マッハツェンダ干渉計は、２つのアーム導波路２０４から構成され、２つのアーム導波路の少なくとも一方に、導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる温度係数を有する温度補償材料２１４を埋め込むことによってアサーマル化される。一方、アレイ導波路回折格子は、２つのスラブ導波路２０６，２１０と複数のアレイ導波路２０８とから構成され、２つのスラブ導波路の少なくとも一方が光の伝搬方向を横切るように分割され、分割されたスラブ導波路２０６の相対位置を調整することによってアサーマル化される。これにより、波長合分波器全体として、低損失のアサーマル化を実現することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マッハツェンダ干渉計とアレイ導波路回折格子とを組み合わせた波長合分波器であって、
前記マッハツェンダ干渉計は、２つのアーム導波路から構成され、前記２つのアーム導波路の少なくとも一方に、導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる温度係数を有する温度補償材料が埋め込まれ、
前記アレイ導波路回折格子は、２つのスラブ導波路と複数のアレイ導波路とから構成され、前記２つのスラブ導波路の少なくとも一方が光の伝搬方向を横切るように分割され、前記分割されたスラブ導波路の相対位置を調整することによってアサーマル化されたことを特徴とする波長合分波器。
【請求項２】
請求項１に記載の波長合分波器であって、
前記温度補償材料の上に不純物が浸透しないようにする保護膜をさらに備えたことを特徴とする波長合分波器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の波長合分波器であって、
前記分割されたスラブ導波路の相対位置は、金属板の熱膨張によって調整されることを特徴とする波長合分波器。
【請求項４】
請求項３に記載の波長合分波器であって、
前記金属板は、ヒータで加熱制御できることを特徴とする波長合分波器。
【請求項５】
請求項１または２に記載の波長合分波器であって、
前記分割されたスラブ導波路の相対位置は、ピエゾ素子によって調整されることを特徴とする波長合分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長合分波器に関し、特に、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）とアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）とから構成された、透過スペクトルが高い平坦性を有し、かつ低損失な波長合分波器をアサーマル化することに関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットをはじめとする通信需要の増大に対応するためには、通信容量の増大を可能にする通信技術の開発が望まれている。このような状況の中、光通信技術においては、さらなる通信容量の増大に向けて、高密度波長分割多重（Ｄ−ＷＤＭ）技術の開発が進められている。
【０００３】
光通信システムの進展に伴い、従来の２点間を接続するpoint-to-pointのシステムから、リング網やメッシュ網など、多地点を接続しフレキシブルに通信路を切り替え可能な通信システムが構築され始めている。従来のpoint-to-pointのシステムでは、接続点で必ず電気信号に復調されていたが、このような高度なネットワークでは、光信号が電気信号に復調される事なく、光信号のまま、多地点を通過する事が求められている。このため、波長合分波器としては、透過スペクトルが高い平坦性を有し、かつ低損失であることが求められている。このような優れた特性を有する波長合分波器として、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）とアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を組み合わせて、透過帯域特性を平坦化したものが知られている（特許文献１および２）。このように、透過帯域を平坦化することによって、ＡＷＧの高密度化を図った場合であっても、波長変動に対して低損失な特性を得ることができる。
【０００４】
【特許文献１】特許第３２５６４１８号公報
【特許文献２】米国特許第６７２８４４６号明細書
【特許文献３】特許第３４３６９３７号公報
【特許文献４】特開２００１−３０５３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
波長合分波器の１つであるＡＷＧでは、高密度で波長を合分波するため、より優れた温度特性が要求される。すなわち、外的な温度変動によらず透過特性が変動しない事が求められる。また、透過帯域特性を平坦化したＭＺＩ付きＡＷＧでは、チャネル間のクロストークを最小化するためにも、優れた温度特性が要求される。
【０００６】
要求される温度特性を確保するためには、サーミスタとペルチェ素子によりＡＷＧの温度を一定に保つ方法が知られているが、温度制御に伴う部品点数の増加により、波長合分波器としてのサイズが大きく、コストも高くなるといった問題があった。
【０００７】
一方、ＡＷＧの特性を温度無依存化（アサーマル化）する技術も知られている。アサーマル化には、主に、実効屈折率の温度特性がＡＷＧの導波路とは異なる樹脂などの温度補償材料を用いたもの（特許文献３）と、ＡＷＧの入力側または出力側のスラブ導波路を分断し、温度変化に対して、分断したスラブ導波路の相対位置を変化させる機械式のもの（特許文献４）が知られている。
【０００８】
透過帯域を平坦化したＭＺＩ付きＡＷＧについて、温度補償材料を用いてアサーマル化する場合、ＭＺＩの導波路およびＡＷＧの導波路のそれぞれに温度補償材料を充填しなければならず、損失が増加するという問題がある。また、機械式のアサーマル化については、原理上ＭＺＩを機械的にアサーマル化する事が困難である為、ＭＺＩ付きＡＷＧにそのまま適用することはできないという問題がある。たとえば、ＭＺＩの２つのアーム導波路の位相差が一定である必要があるが、そのためには、温度上昇にしたがい、ＭＺＩの短アーム側の導波路のギャップ間隔が、長アーム側よりも広がるように設定すれば原理的には可能である。しかしながら、広い温度範囲をカバーするにはギャップ間隔の増加による損失増が問題となる為、現実的な解となりえない。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、マッハツェンダ干渉計とアレイ導波路回折格子とから構成される波長合分波器を低損失なままアサーマル化する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、マッハツェンダ干渉計とアレイ導波路回折格子とを組み合わせた波長合分波器であって、前記マッハツェンダ干渉計は、２つのアーム導波路から構成され、前記２つのアーム導波路の少なくとも一方に、導波路の実効屈折率の温度係数とは異なる温度係数を有する温度補償材料が埋め込まれ、前記アレイ導波路回折格子は、２つのスラブ導波路と複数のアレイ導波路とから構成され、前記２つのスラブ導波路の少なくとも一方が光の伝搬方向を横切るように分割され、前記分割されたスラブ導波路の相対位置を調整することによってアサーマル化されたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の波長合分波器であって、前記温度補償材料の上に不純物が浸透しないようにする保護膜をさらに備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の波長合分波器であって、前記分割されたスラブ導波路の相対位置は、金属板の熱膨張によって調整されることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の波長合分波器であって、前記金属板は、ヒータで加熱制御できることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の波長合分波器であって、前記分割されたスラブ導波路の相対位置は、ピエゾ素子によって調整されることを特徴とする。
【００１５】
このように、透過帯域を平坦化したＭＺＩ付きＡＷＧにおいて、マッハツェンダ干渉計の部分を温度補償材料でアサーマル化し、アレイ導波路回折格子の部分を機械式でアサーマル化することにより、波長合分波器全体として、低損失のアサーマル化を実現することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来技術では困難であった透過帯域を平坦化したＭＺＩ付きＡＷＧを低損失にアサーマル化をはかることが出来る。また、各部を独立してアサーマル化することができるので、設計の自由度が大きくなる。また、各部を独立して作成し、組み立てることにより、波長合分波器の歩留まりを改善することができる。さらに、各部を組み立てる際に、各部の作製誤差に合わせて、キャリブレーションを施すことにより、波長合分波器の歩留まりをさらに改善し、特性のばらつきの少ない波長合分波器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１に、マッハツェンダ干渉計とアレイ導波路回折格子を組み合わせて、透過帯域特性を平坦化した波長分波器の一例を示す。この波長分波器１００は、入力導波路１０２と、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）と、アレイ導波路回折格子と、複数の出力導波路１１２とから構成されている。マッハツェンダ干渉計は、光路長が異なる２つのアーム導波路１０４から構成されており、この２つのアーム導波路は出力において光が干渉するように近接して配置されている。また、アレイ導波路回折格子は、第１のスラブ導波路１０６と、アレイ導波路１０８と、第２のスラブ導波路１１０とから構成されている。
【００１９】
複数の波長を有する光が入力導波路１０２に入射すると、マッハツェンダ干渉計の２つのアーム導波路１０４の光路長の差により、波長に応じて位相差が生じる。この光は、ＭＺＩの出力において近接して配置された２つの導波路間で干渉し、その位相差（すなわち波長）に応じて２つの導波路の間でパワーが分配される。そのため、ＭＺＩの出力で集光する光の位置が、その位相差（波長）によって２つの導波路の間で変化することになる。
【００２０】
一方、ＭＺＩからＡＷＧに入射した光は、第１のスラブ導波路１０６で拡散し、それぞれのアレイ導波路１０８に入射する。アレイ導波路では、導波路間の光路長の差により、波長に応じて位相差が生じる。アレイ導波路を透過した光は第２のスラブ導波路１１０で干渉し、その位相差（すなわち波長）に応じてスラブ導波路の出力で集光する光の位置が変化する。したがって、波長に応じて、第２のスラブ導波路１１０の出力で集光する光の位置に出力導波路１１２を設けることによって、所望の波長の光を取り出すことができる。
【００２１】
ここで、ＭＺＩの出力で集光する光の位置が変わると、第１のスラブ導波路の光の入射位置が変化し、各アレイ導波路までの光路長が変化する。そうすると、アレイ導波路の導波路間の光路長が変わらなくても、ＡＷＧ全体での光路長が変化し、第２のスラブ導波路の出力で集光する光の位置が変わる。このことは、第２のスラブ導波路の出力で集光する光の位置は、ＭＺＩにより調整できることを意味する。すなわち、ある周波数間隔において、ＭＺＩの出力で集光する光の位置変化が、ＡＷＧの第２のスラブ導波路の出力で集光する光の位置変化を相殺するように設定されていれば、ＡＷＧの第２のスラブ導波路の出力で集光する光の位置は変化せず、したがって、この周波数間隔での透過帯域特性は平坦になる。なお、この波長分波器１００は、出力導波路１１２からそれぞれ波長の異なる光を入射すると、入力導波路１０２から波長多重された光が出射され、波長合波器として使用することができるので、以下、波長合分波器と総称する。
【００２２】
このような波長合分波器において、温度特性を無依存化するためには、ＭＺＩおよびＡＷＧそれぞれの温度特性を考慮しなければならない。１つの方法は、ＭＺＩおよびＡＷＧそれぞれについて、実効屈折率の温度特性が導波路と異なる温度補償材料を用いて全体として温度特性を相殺することが考えられる。しかし、温度補償材料には、通常、樹脂が用いられ、導波路に比べて光の伝搬損失が大きい。また、ＭＺＩ付きＡＷＧにおいては、ＭＺＩおよびＡＷＧのそれぞれの導波路に温度補償材料を充填しなければならず、波長合分波器全体としての損失が大きくなってしまう。また、ＡＷＧのスラブ導波路を分割して、温度変化に応じて分割したスラブ導波路をスライドさせてＡＷＧの出力で集光する光の位置変化を相殺する機械式では、ＭＺＩの温度特性を相殺することはできない。そこで、本発明においては、ＭＺＩの温度特性を温度補償材料で相殺する一方、ＡＷＧの温度特性を機械式で相殺することによって、波長合分波器全体として、低損失化を図りつつ、アサーマル化を実現する。
【００２３】
図２に、本発明の一実施形態に係る波長合分波器の一例を示す。この波長合分波器２００は、基板２０１上に形成され、図１に示す波長合分波器の構成と同様に、入力導波路２０２と、マッハツェンダ干渉計と、アレイ導波路回折格子と、複数の出力導波路２１２とから構成されている。しかし、図１に示す波長合分波器の構成とは異なり、アサーマル化のために、マッハツェンダ干渉計では導波路に温度補償材料２１４が埋め込まれており、アレイ導波路回折格子では第１のスラブ導波路２０６が分割されている。
【００２４】
まず、マッハツェンダ干渉計のアサーマル化について説明する。一般に、マッハツェンダ干渉計の温度特性は、基板および導波路に使用する材料の温度特性に起因する。具体的には、基板の熱膨張係数および導波路の実効屈折率の温度係数に依存する。以下では、温度特性の支配的要因である導波路の実効屈折率の温度係数について検討する。
【００２５】
マッハツェンダ干渉計を構成する２つのアーム導波路２０４の実効屈折率の温度係数をα、温度補償材料２１４の実効屈折率の温度係数をβ、長い方のアーム導波路の長さをＬ１、短い方のアーム導波路の長さをＬ２、長い方のアーム導波路上の温度補償材料の長さをＬ１’、短い方のアーム導波路上の温度補償材料の長さをＬ２’とする。ここで、これら２つのアーム導波路を伝搬する光の位相差が温度変化に対して変化しないようにするには（すなわち、アサーマル化するには）、２つの導波路の光路長差が温度に対して変化しないことが必要である。したがって、この場合、次式が成立する。
α（Ｌ１−Ｌ１’）＋βＬ１’＝α（Ｌ２−Ｌ２’）＋βＬ２’
【００２６】
上式を変形すると、次式が得られる。
（Ｌ１’−Ｌ２’）＝γ（Ｌ１−Ｌ２），γ＝α／（α−β）
【００２７】
したがって、導波路および温度補償材料の温度係数α，βに応じて、上式を満たすＬ１’およびＬ２’の値を求めれば、マッハツェンダ干渉計をアサーマル化することができる。また、上式より、Ｌ１’およびＬ２’の一方の値を０にすることができる。これは、損失低減の観点から望ましい。さらに、γの絶対値が小さくなるような温度補償材料を選択すれば、（Ｌ１’−Ｌ２’）の絶対値が小さくなり、損失低減の観点から望ましい。例えば、導波路の温度係数αは、通常、正の値をとるので、温度補償材料の温度係数βが負の場合には、γの値を比較的大きくすることができる。このように、マッハツェンダ干渉計の導波路部分に温度補償材料２１４を埋め込むことで、最小の導波路損失でマッハツェンダ干渉計をアサーマル化することができる。なお、低損失化を図るために、温度補償材料２１４は、図２に示すように、導波路の複数の位置に分割して配置することができる。
【００２８】
次に、アレイ導波路回折格子のアサーマル化について説明する。アレイ導波路回折格子の温度特性も、マッハツェンダ干渉計の場合と同様に、基板の熱膨張係数および導波路の実効屈折率の温度係数に起因する。特に、アレイ導波路回折格子の温度特性は、温度が上がると、透過中心波長は長波長側に変化し、温度が下がると、透過中心波長は短波長側に変化する。すなわち、図２においては、温度が上がると、第２のスラブ導波路２１０の集光位置がＰ点からＱ点の方向にシフトし、温度が下がると、集光位置がＱ点からＰ点の方向にシフトする。
【００２９】
一方、アレイ導波路回折格子において、第１のスラブ導波路２０６における光の入射位置が変化すると、第２のスラブ導波路２１０における光の集光位置も変化する。より具体的には、図２において、第１のスラブ導波路２０６における光の入射位置がＡ点からＢ点の方向にシフトすると、第２のスラブ導波路２１０における光の集光位置がＰ点からＱ点の方向にシフトし、光の入射位置がＢ点からＡ点の方向にシフトすると、光の集光位置がＱ点からＰ点の方向にシフトする。
【００３０】
したがって、温度の上昇に応じて、第１のスラブ導波路の光の入射位置をＢ点からＡ点にシフトさせることによって、第２のスラブ導波路の光の集光位置の変化を相殺し、これによってアレイ導波路回折格子の温度特性を相殺することができる。具体的には、分割した第１のスラブ導波路２０６の相対位置をＹ軸のプラス方向にずらすことで、第１のスラブ導波路の光の入射位置を等価的にＢ点からＡ点の方向にシフトすることができる。
【００３１】
これに加えて、または代替として、温度の上昇に応じて、第２のスラブ導波路２１０の集光位置がＰ点からＱ点の方向にシフトするので、これに応じて出力導波路２１２の位置をシフトさせることによって、アレイ導波路格子の温度特性を相殺することもできる。すなわち、図２に示す場合と異なり、第２のスラブ導波路２１０を光の進行方向を横切るように分割し、分割した第２のスラブ導波路の相対位置をＸ軸のマイナス方向にずらすことで、第２のスラブ導波路に結合した出力導波路の位置を等価的にＰ点からＱ点の方向にシフトさせることができる。なお、分割したスラブ導波路の相対位置をずらすには、例えば、適当な熱膨張係数を有する金属板等２１８を利用することができる。
【００３２】
一般に、波長合分波器は、マッハツェンダ干渉計部分およびアレイ導波路回折格子部分それぞれに作製誤差を含む。そのため、分割したスラブ導波路の相対位置を調整することで、製造段階でこのような作製誤差を相殺することもできる。特に、ＭＺＩ付きのＡＷＧを用いた波長合分波器は、高密度の波長合分波に用いられることが多く、波長ずれなどの作製誤差に対する要求が厳しい。本発明のように、アレイ導波路回折格子部分に機械式の調整技術を採用することによって、運用時におけるアサーマル化を実現するだけでなく、製造時における作製誤差の調整が可能となり、波長合分波器の歩留まりを改善することができる。
【００３３】
また、本発明による波長合分波器は、第１のスラブ導波路または第２のスラブ導波路、あるいはその両方で分割されているので、各部を個別に作製し、最終的に各部を組み合わせて構成することができる。これにより、ウェハ当りのチップ数を多くすることができる。また、各部を組み合わせる前に個別にテストすることができるので、全体としての歩留まりをさらに改善することができる。
【００３４】
図２に示すように、チップはそれぞれＬ字形状としている。これは、ＭＺＩ付ＡＷＧ回路では、回路レイアウトの制約の為、従来の方形形状のままではチップの収率が悪くなる為である。
【００３５】
図３は、本発明の一実施形態に係る波長合分波器をモジュールに組み立てた状態を示している。本発明による波長合分波器２００は、スラブ導波路が分割されているので、分割した導波路の接続面での損失ならびに反射を低減するために、図３に示すように、モジュール３００内で屈折率をマッチングさせるための液（マッチング液）もしくはジェル３０２に波長合分波器全体が浸されている。図４は、従来の非アサーマル型の構成、樹脂式のアサーマルの構成、ならびに、本発明の構成による波長合分波器の損失特性を比較したものである。従来のアサーマル化していない非アサーマル型の構成が損失１ｄＢと低損失なのに対して、樹脂でＭＺＩおよびＡＷＧの両方をアサーマル化した樹脂式のアサーマル構成では１．７ｄＢと損失が増加してしまう。一方、本発明の構成によれば、１．１ｄＢと従来の非アサーマル型の構成にほぼ匹敵する低損失性を示すことがわかる。このように、樹脂式のアサーマル構成の損失増加が主としてＡＷＧ部分に起因しており、ＭＺＩ部分による損失増加はわずか（約０．１ｄＢ）である事がわかる。
【００３６】
さて、このように本発明の構成によれば、低損失でアサーマル化を実現できる事が確認された。しかしながら、長期信頼性試験を実施したところ、中心波長が図５の実線に示すように変動することが確認された。本発明の構成では、マッハツェンダ干渉計の導波路部分に温度補償材を充填しているが、原因解析の結果、マッチング液３０２に含まれる不純物などが温度補償材料を充填している溝や温度補償材料の内部に浸透し、透過中心波長などの特性が変動していることが推定された。したがって、温度補償材料に、使用するマッチング液もしくはそれに含まれる不純物が浸透するのを防止する必要がある事がわかった。具体的な対策としては、温度補償材料を充填した部分に、金属製の保護膜３０４を形成して密封を行なった。その結果、図５の点線に示すように変動が抑制される事が確認された。保護膜３０４をガラスとした場合や、樹脂の多層膜とした場合でも一定の抑制効果が確認された他、高純度のマッチング液を用いることによっても波長変化が抑制される事が分かった。これらの保護膜を形成によって、ＭＺＩの中心波長がわずかに変動する為、透過スペクトル形状がわずかであるが崩れた。そのため、保護膜３０３の形成後にＭＺＩ部分の中心波長をＵＶトリミングにより微調整を行なった。
【００３７】
図３に示すように、分割したスラブ導波路の相対位置を金属板２１８の熱膨張係数を利用して調整する場合、ＡＷＧの温度特性を完全に補償することはできない。その理由は、波長合分波器に用いられる石英系ガラスの屈折率温度依存性が高次の温度特性を有するのに対して、上記の金属板を用いた温度補償は、主に１次の温度特性を補償するものだからである。すなわち、１次の温度特性を補償することができても、２次以上の温度特性が残存することになる。したがって、さらなる温度特性の平坦化や動作温度範囲の拡大を図るためには、波長合分波器の高次の温度特性を解消する必要がある。
【００３８】
この場合、チップにサーミスタを取り付け、金属板２１８にヒータを取り付けて、２次以上の温度特性を補償することができる。具体的には、サーミスタでＡＷＧの温度を測定し、予め測定したＡＷＧの高次の温度特性を補償するように、金属板２１８をヒータで加熱することができる。あるいは、金属板に代えて、ピエゾ素子を使用すれば、高次の温度特性を含めてＡＷＧの温度特性を補償することができる。具体的には、サーミスタでＡＷＧの温度を測定し、予め測定したＡＷＧの温度特性を補償するように、ピエゾ素子を制御することができる。なお、金属板をヒータで加熱する場合には、マッチング液３０２にヒータの熱が奪われるので、これを防ぐ断熱構造を設ければよい。たとえば発泡性樹脂層をヒータ部の金属の表裏に付加することにより実現できる。
【００３９】
以上、本発明について、具体的な実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】マッハツェンダ干渉計とアレイ導波路回折格子を組み合わせて、透過帯域特性を平坦化した波長分波器の一例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る波長合分波器の一例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る波長合分波器をモジュールに組み立てた状態を示す図である。
【図４】従来の非アサーマル型の構成、樹脂式のアサーマルの構成、ならびに、本発明の構成による波長合分波器の損失特性を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る波長合分波器の長期信頼性試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００，２００  波長合分波器
１０２，２０２  入力導波路
１０４，２０４  アーム導波路
１０６，２０６  第１のスラブ導波路
１０８，２０８  アレイ導波路
１１０，２１０  第２のスラブ導波路
１１２，２１２  出力導波路
２０１  基板
２１４  温度補償材料
２１８  金属板
３００  モジュール
３０２  マッチング液またはジェル
３０４  保護膜
【図１】
2009180837.tif 000003
【図２】
2009180837.tif 000004
【図３】
2009180837.tif 000005
【図４】
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【図５】
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