光信号処理器
【課題】透過スペクトルの偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器を提供する。
【解決手段】発明は光信号処理器であって、各々基板上に作製された、二つの結合器（７２２，７２４）および該結合器を連結する二本のアーム導波路（７０６，７０８）を備えたマッハツェンダ干渉計回路７００において、水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する偏波回転器７３２が、二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝に設けられており、二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、２ｍ−０．２から２ｍ＋０．２（ｍはゼロを含む整数）となるように、二本のアーム導波路の少なくとも一方に部分的にレーザ照射等を施して複屈折を調整した。
【解決手段】発明は光信号処理器であって、各々基板上に作製された、二つの結合器（７２２，７２４）および該結合器を連結する二本のアーム導波路（７０６，７０８）を備えたマッハツェンダ干渉計回路７００において、水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する偏波回転器７３２が、二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝に設けられており、二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、２ｍ−０．２から２ｍ＋０．２（ｍはゼロを含む整数）となるように、二本のアーム導波路の少なくとも一方に部分的にレーザ照射等を施して複屈折を調整した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の長距離・大容量化へのさらなる要求から、波長多重通信は重要な技術となっている。この波長多重通信システムに必要不可欠なデバイスとして、光信号を波長によって合分波するための波長合分波フィルタがある。例えば、シンプルな波長合分波フィルタとしては、光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計回路（以下、ＭＺＩ）を用いたものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図１に、このＭＺＩの概略図を示す。ＭＺＩ１００は、二つの結合器（１２２，１２４）と、二つの結合器を結ぶアーム導波路（１０６，１０８）とを備え、結合器１２２は二つの入力導波路（１０２、１０４）を、結合器１２４は二つの出力導波路（１１０，１１２）を備える。
【０００４】
以下では、マッハツェンダ干渉計の動作原理とその偏波依存性について説明する。
【０００５】
ＭＺＩ１００において、入力Ｉ１（入力導波路１０２）から出力Ｏ１（出力導波路１１０）へのパスをスルーパス、入力Ｉ１（入力導波路１０４）から出力Ｏ２（出力導波路１１２）へのパスをクロスパスと定義する。このとき、公知の干渉原理によって、各パスの光出力（Ｏthrough、Ｏcross）は下式のように記述できる。（ここでは結合器の結合率は５０％とした。）
【０００６】
【数１】
【０００７】
尚、Ｉ０は入力光の光強度、ｎは実効屈折率、ΔＬは二本のアーム導波路の長さの差、λは使用波長を示す。
【０００８】
スルーパスは式（１）よりｎΔＬ＝λｍ、クロスパスは式（２）より
【０００９】
【数２】
【００１０】
を満たす信号波長において、周期的に光信号が消光し他方のパスへ出力され、波長合分波フィルタとして機能する。
【００１１】
このようなデバイスに用いられる光導波路の作製方法としては、例えば次のようなものがある。
【００１２】
火炎堆積法を用いてシリコン基板上に、ＳｉＯ2を主体とした下部アンダークラッド層およびＳｉＯ2にＧｅＯ2を添加したコア層を順に堆積する。次いで、反応性イオンエッチングを用いてコア層をパターン化する。再び火炎堆積法を用いて、オーバクラッド層を堆積して埋め込み型光導波路を作製する。
【００１３】
通常、このような光導波路は、コアの形状や、基板とクラッドの熱膨張係数の違いにより発生する応力によって、複屈折を有する。つまり、基板に垂直な偏光方向を有するＴＭ偏波と基板に平行な偏光方向を有するＴＥ偏波の実効屈折率（ｎTE，ｎTM）はそれぞれ異っている。ここで、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は次式で与えられる。
【００１４】
【数３】
【００１５】
尚、ｌ1，ｌ2はそれぞれ二本のアーム導波路に沿う線座標である。また、
【００１６】
【数４】
【００１７】
は複屈折値のアーム導波路に沿う線積分である。
【００１８】
偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は有限の値を持つため、消光する波長に偏波依存性が発生する。この偏波依存性は偏波依存損失（ＰＤＬ）や偏波依存周波数差（ＰＤｆ）の発生要因となり、信号品質を大きく劣化させる。
【００１９】
この偏波依存性を解消するための手法として、以下のようなものが知られている。
【００２０】
（従来技術の第一例）
二本のアーム導波路の中心を結ぶ直線上に、使用波長の１／２相当の半波長板を、基板面の水平方向（あるいは法線）から主軸が４５度傾くように挿入したマッハツェンダ干渉計回路がある（非特許文献２参照）。
【００２１】
図２に、従来技術の第一例のＭＺＩの概略図を示す。ＭＺＩ２００は、二つの結合器（２２２，２２４）と、二つの結合器を結ぶ二つのアーム導波路（２０６，２０８）とを備える。さらに、ＭＺＩ２００は、アーム導波路（２０６，２０８）の光路長を二分するように配置された半波長板２３２を備える。また、結合器２２２は二つの入力導波路（２０２，２０４）を、結合器２２４は二つの出力導波路（２１０，２１２）を備える。
【００２２】
ＭＺＩ２００では、光信号が半波長板２３２までＴＥ偏波（もしくはＴＭ偏波）でアーム導波路（２０６，２０８）の半分の距離を伝搬し、半波長板２３２でＴＥ偏波からＴＭ偏波（もしくはＴＭ偏波からＴＥ偏波）に偏波変換される。そして、アーム導波路（２０６，２０８）の残りの半分の距離をＴＭ偏波（もしくはＴＥ偏波）で伝搬する。ＴＥ偏波（もしくはＴＭ偏波）からＴＭ偏波（もしくはＴＥ偏波）へ偏波変換された光信号は、いずれも光路長差
【００２３】
【数５】
【００２４】
となり、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）を解消することができる。
【００２５】
（従来技術の第二例）
偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）を使用光波長の整数倍（０を含む）としたマッハツェンダ干渉計回路がある（特許文献１参照）。これは、マッハツェンダ干渉計では使用波長λの整数倍の位相差を識別できないことから、見掛け上、ＴＭ偏波の干渉条件とＴＥ偏波の干渉条件とが一致することに着目し、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）を整数倍（０を含む）としたものである。
【００２６】
【特許文献１】特公平６−６０９８２号公報
【特許文献２】特許第３７０３０１３号公報
【特許文献３】国際公開第０１／０５９４９５号パンフレット
【非特許文献１】K. Inoue et al., “A Four-Channel Optical Waveguide Multi/Demultiplexer for 5-GHz Spaced Optical FDM Transmission”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.6, No.2, FEB. 1988, pp.339-345
【非特許文献２】Y. Inoue et al., “Elimination of Polarization Sensitivity in Silica-Based Wavelength Division Multiplexer Using a Polyimide Half Waveplate”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.15, No.10, Oct. 1997, pp.1947-1957
【非特許文献３】B. L. Heffner, “Deterministic, Analyticall Complete Measurement of Polarization-Dependent Transmission Through Optical Devices”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.4, NO.5, MAY 1992, pp.451-454
【非特許文献４】M. Okuno et al., “Birefringence Control of Silica Waveguides on Si and Its Application to a Polarization-Beam Splitter/Switch”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.12, NO.4, APRIL, 1994, pp.625-633
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
しかしながら、前述のマッハツェンダ干渉計回路（以下、ＭＺＩ）は以下に述べる問題があった。
【００２８】
従来技術の第一例は、半波長板を用いて、ＴＥ偏波をＴＭ偏波（もしくは、ＴＭ偏波をＴＥ偏波）に完全に偏波変換を行うことが前提である。しかしながら、半波長板の膜厚は作製誤差によって所望の厚さからずれるため、設計波長とは一致しない。この結果、ＴＥ偏波からＴＭ偏波へ完全に偏波変換せず、その一部がＴＥ偏波として残ってしまう。そのような半波長板を使用した場合、従来技術の第一例では、ＴＥ偏波で入射し偏波変換せずにそのまま伝播したＴＥ偏波の光路長差はｎTEΔＬとなる。つまり、偏波に因らず光路長差を
【００２９】
【数６】
【００３０】
とする目的が達成されず、消光する周波数に偏波依存性が発生してしまう。
【００３１】
例えば、消光する波長の周波数間隔（周期）をＦＳＲ（Frequency Spectral Range)、偏波に依存した消光する波長の差の最大値をＰＤｆ（Polarization Dependent Frequency）と定義した場合、ＦＳＲが１０ＧＨｚの従来技術の第一例のマッハツェンダ干渉計回路においてそのＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．４ＧＨｚも発生してしまう。信号品質の劣化を避ける目的で、このＰＤｆはＦＳＲの１００分の１以下が要求されており、従来技術では仕様を満たすことは困難であった。
【００３２】
従来技術の第二例では、ＰＤｆが大きな複屈折依存性を有することが問題となる。その結果、ＦＳＲの１００分の１というＰＤｆを満たす事が非常に困難であり、また、温度依存性に対しても大きなＰＤｆ変動を有してしまう。簡単にこの複屈折依存性に関して説明する。
【００３３】
スルーパスにおけるＴＥ偏波およびＴＭ偏波の消光する周波数
【００３４】
【数７】
【００３５】
は次式を満たす。
【００３６】
【数８】
【００３７】
ここで、ｍは次数、ＦＳＲTEおよびＦＳＲTMはそれぞれＴＥ偏波およびＴＭ偏波のＦＳＲ、ｃは光速を示す。上の二式からＰＤｆは次式と変形できる。
【００３８】
【数９】
【００３９】
ここで、
【００４０】
【数１０】
【００４１】
である。実効屈折率を１．４５、消光する周波数を１９３ＴＨｚとしたとき、上式より、ＰＤｆの複屈折に対する変化量は１３３×１０１２となる。これは、複屈折が０．１×１０-4だけ変化した時、ＰＤｆが１．３３ＧＨｚも変化することを意味しており、ＰＤｆが大きな複屈折依存性を有することがわかる。従って、複屈折の高精度な調整が必要となり、ＦＳＲの１００分の１というＰＤｆを満たす事は非常に困難であった。
【００４２】
一方、環境温度によって生じる、基板とクラッドとの熱膨張係数の違いや、回路を接着する放熱基板と回路基板との熱膨張係数の違いによって、導波路に加わる内部応力が変化する。その結果、光弾性効果を介して複屈折の値が変化するため、環境温度によってＰＤｆが変動してしまう。
【００４３】
例えば、従来技術の第二例を用いてＰＤｆを０．３３ＧＨｚまで複屈折を調整した、ＦＳＲが１０ＧＨｚのマッハツェンダ干渉計において、環境温度を−１０℃から８０℃まで変化させた場合、ＰＤｆが６ＧＨｚも変動し問題となっている。
【００４４】
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、透過スペクトルの偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４５】
発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は光信号処理器であって、各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝に設けられており、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、２ｍ−０．２から２ｍ＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする。
【００４６】
請求項２に記載の発明は、光信号処理器であって、各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する二つの偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝にそれぞれ設けられており、前記偏波回転器の一方で変換される光信号と、前記偏波回転器の他方で変換される光信号の位相がπずれており、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、（２ｍ−１）−０．２から（２ｍ−１）＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする。
【００４７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の前記偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であることを特徴とする。
【００４８】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の前記二つの偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であって、前記偏波回転器の一方の光学主軸と前記偏波回転器の他方の光学主軸とが直行することを特徴とする。
【００４９】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の前記結合器は、方向性結合器または多モード干渉型結合器であることを特徴とする。
【００５０】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、導波路幅が部分的に変化する導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【００５１】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、部分的にレーザが照射された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【００５２】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、両脇の一部に応力開放溝が形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【００５３】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力付与膜が上面に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【００５４】
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力を変化させるための薄膜ヒータが上部に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００５５】
以上説明したように、本発明によれば、透過スペクトルの偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
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。
始めに図３を参照して、半波長板の動作波長が設計波長からずれたとしても、透過スペクトルが偏波無依存となる条件について説明する。
【００５７】
半波長板の動作波長が設計波長からずれた場合に、偏波変換しなかった偏波の光路長差と、偏波変換した偏波の光路長差が一致しないことが問題である。そこで、それらの光路長差を見かけ上同じにすることを考える。
【００５８】
具体的には、ＴＥ偏波で入射し偏波変換せずにそのまま伝播したＴＥ偏波の光路長差ｎTEΔＬと、ＴＭ偏波で入射し半波長板にて偏波変換してＴＥ偏波で伝搬した偏波の光路長差
【００５９】
【数１１】
【００６０】
との差を、ゼロもしくは使用波長の整数倍とし、かつ、ＴＭ偏波で入射し偏波変換せずにそのまま伝播したＴＭ偏波の光路長差ｎTMΔＬと、ＴＥ偏波で入射し半波長板にて偏波変換してＴＭ偏波で伝搬した偏波の光路長差
【００６１】
【数１２】
【００６２】
との差を、ゼロもしくは使用波長の整数倍とする。
数式を用いて、より具体的に説明する。
【００６３】
＜半波長板の主軸が同じ方向／スルーパスの場合＞
二本のアーム導波路の中央に半波長板が挿入されたマッハツェンダ干渉計であり、半波長板の光学主軸の向きが、基板の面に垂直な線（法線）から４５度だけ傾きかつ光信号の伝搬方向と直交しており、それぞれのアーム導波路に挿入された半波長板の光学主軸の向きが同じ方向であるＭＺＩにおいて、Ｉ１、アーム１、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（７）となる。
【００６４】
【数１３】
【００６５】
ここで、φTEおよびφTMはそれぞれ二本のアーム導波路間のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の位相差、Ψは半波長板で与えられる位相差である。尚、結合器の結合率は５０％とし、Ψは波長板が設計波長からずれた場合を仮定するので、πとその整数倍以外を仮定する。また、Ｉ１、アーム２、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（８）となる。
【００６６】
【数１４】
【００６７】
式（７）および（８）より、スルーパスの光出力は式（９）となる。
【００６８】
【数１５】
【００６９】
式（９）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は
【００７０】
【数１６】
【００７１】
を満たす時なので、次式を満たせばよい。
【００７２】
【数１７】
【００７３】
ここで、ｍ、ｎ、αは整数を示す。従って、次式となる。
【００７４】
【数１８】
【００７５】
式（１３）を書きかえると式（１５）となる。
【００７６】
【数１９】
【００７７】
さらに書き換えて、式（１６）が導出される。
【００７８】
【数２０】
【００７９】
これより、偏波に依存した光路長差が消光する波長（使用波長）の偶数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。
【００８０】
一般に、作製誤差のため、導波路の複屈折の値はずれる。しかし、目標とするＦＳＲの１００分の１というＰＤｆを満たすためにはある程度の複屈折のばらつきは許容される。
【００８１】
そこで、目標とするＰＤｆを達成するための複屈折（もしくは、偏波に依存した光路長差の次数）の許容値を求める。
【００８２】
ある波長における光出力の最大値、最小値は、ＭＺＩのジョーンズ行列をＭとすると、Ｍの複素共役の転置行列（Ｍ＊）TとＭとの積の固有値を求めることによって導き出せる（非特許文献３参照）。式（９）よりＭＺＩのジョーンズ行列は以下の通り書ける。
【００８３】
【数２１】
【００８４】
（Ｍ＊）TＭの固有値を波長（または周波数）に対して計算し、１．５５μｍ付近のスペクトルを計算しＰＤｆを導出した。
【００８５】
図４（ａ）および（ｂ）に、半波長板の動作波長が使用波長からずれた場合のＰＤｆと複屈折の関係を計算した結果を示す。計算では、結合器の結合率は５０％とし、半波長板の動作波長が使用波長から４％ずれた場合を仮定した。これは我々が用いている半波長板の動作波長が、設計波長から４％の誤差（標準偏差）を有するためである。図４（ａ）および（ｂ）より、ＰＤｆをＦＳＲの１００分の１とするためには、複屈折の変動は±０．１×１０-4以下とすればよい。
【００８６】
図５（ａ）および（ｂ）に、図４（ａ）および（ｂ）に関して、横軸を次数（偏波に依存性した光路長差Δ（ＢＬ）を使用波長で割った値）とした場合のグラフを示す。図５（ａ）および（ｂ）より、許容される次数の変動量は±０．２次となることがわかる。
【００８７】
同様に、図４（ａ）および（ｂ）を用いて環境温度変化によるＰＤｆの変化が類推できる。
【００８８】
図４（ａ）および（ｂ）の太線は本発明における、細線は従来技術の第二例における、ＰＤｆの複屈折依存性を示したものである。本発明のＰＤｆの複屈折依存性が従来技術の第二例に比べて緩和されていることがわかる。つまり、複屈折は環境温度によって変化するため、ＰＤｆの環境温度依存性が緩和されることがわかる。
【００８９】
＜半波長板の主軸が同じ方向／クロスパスの場合＞
クロスパスについても同様に、消光する波長において偏波無依存となる条件を計算できる。
Ｉ１、アーム１、およびＯ２を伝搬し出力される光出力は式（１８）となる。
【００９０】
【数２２】
【００９１】
ここで、φTEおよびφTMはそれぞれ二本のアーム導波路間のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の位相差、Ψは半波長板で与えられる位相差である。結合器の結合率は５０％とした。また、Ｉ１、アーム２、およびＯ２を伝播し出力される光出力は式（１９）となる。
【００９２】
【数２３】
【００９３】
上の二式より、クロスパスの光出力は式（２０）と表すことができる。
【００９４】
【数２４】
【００９５】
式（２０）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は
【００９６】
【数２５】
【００９７】
を満たす時なので次式を満たせばよい。
【００９８】
【数２６】
【００９９】
ここで、ｍ、ｎ、αは整数を示す。従って、次式となる。
【０１００】
【数２７】
【０１０１】
さらに書き換えて、式（２６）が導出される。
【０１０２】
【数２８】
【０１０３】
これより、ある消光する波長において偏波に依存した光路長差を偶数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。
【０１０４】
＜半波長板の主軸が直交／スルーパスの場合＞
二本のアーム導波路の中央に半波長板が挿入されたマッハツェンダ干渉計であり、二本のアーム導波路に設けられる半波長板の主軸が、基板の面に垂直する線から４５度だけ傾きかつ光信号の伝搬方向と直交しており、それぞれのアーム導波路に挿入された波長板の主軸の向きが直交しているＭＺＩにおいて、Ｉ１、アーム１、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（２７）となる。
【０１０５】
【数２９】
【０１０６】
また、Ｉ１、アーム２、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（２８）となる。
【０１０７】
【数３０】
【０１０８】
式（２７）および（２８）より、スルーパスの光出力は式（２９）となる。
【０１０９】
【数３１】
【０１１０】
式（２９）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は
【０１１１】
【数３２】
【０１１２】
を満たす時なので、次式を満たせばよい。
【０１１３】
【数３３】
【０１１４】
ここで、ｍ、ｎ、αは整数である。従って、次式となる。
【０１１５】
【数３４】
【０１１６】
さらに書き換えて、式（３５）が導出される。
【０１１７】
【数３５】
【０１１８】
これより、ある消光する波長において偏波に依存した光路長差を奇数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。
【０１１９】
＜半波長板の主軸が直交／クロスパスの場合＞
クロスパスについても同様に偏波無依存条件を計算できる。
Ｉ１、アーム１、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（３６）となる。
【０１２０】
【数３６】
【０１２１】
ここで、φTEおよびφTMはそれぞれ二本のアーム導波路間のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の位相差、Ψは半波長板で与えられる位相差である。結合器の結合率は５０％とした。また、Ｉ１、アーム２、およびＯ１を伝播し出力される光出力は式（３７）となる。
【０１２２】
【数３７】
【０１２３】
上の二式より、スルーパスの光出力は式（３８）と表すことができる。
【０１２４】
【数３８】
【０１２５】
式（３８）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は
【０１２６】
【数３９】
【０１２７】
を満たす時なので次式を満たせばよい。
【０１２８】
【数４０】
【０１２９】
従って、次式となる。
【０１３０】
【数４１】
【０１３１】
さらに書き換えて、式（４４）が導出される。
【０１３２】
【数４２】
【０１３３】
これより、ある消光する波長において偏波に依存した光路長差を奇数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。
【０１３４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、以下では光導波路としてシリコン基板上に形成された石英系光導波路を例にとって説明する。これは、この組み合わせが安定で信頼性に優れた光導波路デバイスを作製するのに適しているからである。しかしながら、本発明はこの組み合わせに限定されるものではなく、シリコンまたは石英ガラスまたはソーダガラスなどの基板上に、石英系光導波路またはシリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）などの光導波路、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）系樹脂などの有機系光導波路、シリコン光導波路を用いたものでも無論構わない。
【０１３５】
また、以下では結合器として多モード干渉計型結合器を用いる例をとって説明するが、方向性結合器を用いることもできる。
【０１３６】
図６を参照して、本実施形態の導波路作製工程を簡単に説明する。シリコン基板６０２上に火炎堆積法（ＦＨＤ）でＳｉＯ2を主体にした下部クラッドガラス微粒子６０４、およびＳｉＯ2にＧｅＯ2を添加したコアガラス微粒子６０６を順に堆積する（図６（１））。この段階ではガラス微粒子は光を散乱するため白い膜に見える。
【０１３７】
その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行う。ガラス微粒子を表面に堆積したシリコン基板を徐々に加熱していくと、ガラス微粒子が溶けて透明なガラス膜が形成される。この時に、下部クラッドガラス層６０４は３０ミクロン厚、コアガラス層６０６は７ミクロン厚となるように、ガラス微粒子の堆積を行っている（図６（２））。
【０１３８】
引き続き、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってコアガラス層６０６のパターン化を行う（図６（３））。
【０１３９】
上部クラッドガラス微粒子６０８を火炎堆積法でコア上部に堆積する（図６（４））。最後に高温透明化を行い、埋め込み導波路を作製する（図６（５））。上部クラッドガラス層６０８にはドーパントとして、三酸化ホウ素および五酸化リンを添加してガラス転移温度を下げ、最後の高温透明化の工程でコアが変形しないようにしている。
【実施例１】
【０１４０】
図７に本発明の第一の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。図７に示すＭＺＩ７００は、二つの多モード干渉計型結合器（７２２，７２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（７０６，７０８）とを備える。また、ＭＺＩ７００は、アーム導波路７０６の光路長を二分するようにアーム導波路７０６をその中心においてアーム導波路７０６ａとアーム導波路７０６ｂとに、アーム導波路７０８の光路長を二分するようにアーム導波路７０８をその中心においてアーム導波路７０８ａとアーム導波路７０８ｂとに分断するようにして形成された溝に挿入された半波長板７３２を備える。多モード干渉計型結合器７２２は二つの入力導波路（７０２，７０４）を備え、多モード干渉計型結合器７２４は二つの出力導波路（７１０，７１２）を備える。
【０１４１】
偏波回転器としての半波長板７３２はポリイミド波長板であり、光学主軸が伝搬方向と直交し、かつ、基板面の水平方向（あるいは基板面の法線）から４５度傾いており、遅軸と速軸をそれぞれ伝搬する偏波に設計波長の半波長相当の位相差を与える。半波長板７３２は、ＴＭ偏波をＴＥ偏波に、ＴＥ偏波をＴＭ偏波に偏波変換する機能を有する。
【０１４２】
本ＭＺＩ７００は、ＦＳＲを１０ＧＨｚとするため、二本のアーム導波路（７０６，７０８）の長さの差（ΔＬ）を２０．７ｍｍとしている。
【０１４３】
また、本実施例のＭＺＩ７００は、半波長板７３２の前後においてアーム導波路の一部にＡｒＦ（フッ化アルゴン）レーザを照射することによって、複屈折の調整を行っている。これにより、本ＭＺＩ７００におけるΔ（ＢＬ）をゼロとし偏波依存性の抑制を行っている。
【０１４４】
Δ（ＢＬ）をゼロとするための手法を具体的に以下で説明する。
アーム導波路１（７０６）において、レーザ照射領域の導波路の長さをＬir1、レーザ未照射領域の導波路の長さをＬnon1とする。アーム導波路２（７０８）において、レーザ照射領域の導波路の長さをＬir2、レーザ未照射領域の導波路の長さをＬnon2とする。レーザ照射領域の複屈折をＢir、レーザ未照射領域の複屈折をＢnonとする。これらを用いて、Δ（ＢＬ）は式（４５）となる。
【０１４５】
【数４３】
【０１４６】
簡単のため、Ｌir1＝０とすると、式（４６）となる。
【０１４７】
【数４４】
【０１４８】
ここで、二本のアーム導波路の長さの差を
【０１４９】
【数４５】
【０１５０】
、複屈折の差をΔＢ＝Ｂir−Ｂnonとした。式（４６）が０となる条件は式（４７）となる。
【０１５１】
【数４６】
【０１５２】
そこで、式（４７）を満たすようにＬir2を１０ｍｍとし、ΔＢが２．１×１０-4となるようレーザ照射を行った。レーザとしては、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いて、照射パワーはＩＪ／ｃｍ２、パルス繰り返しは５０Ｈｚ、照射時間は５３０ｓｅｃとした。また、金属マスクを用いて、金属マスクが覆われていない半波長板を挟んだ二箇所のレーザ照射領域のみにレーザの照射をおこなった。照射面積は５０μｍ×５ｍｍである。一方、ΔＬは２０．７ｍｍ、Ｂnonは１×１０-4であり、Δ（ＢＬ）はほぼゼロとなった。
【０１５３】
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．０４ＧＨｚまで抑制することができた。第一の従来技術のＭＺＩでは、そのＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．３５ＧＨｚであった。よって、本発明を用いることによってＰＤｆを抑制することができた。
【０１５４】
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚであった。一方、第二の従来技術のＭＺＩでは、そのＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに６ＧＨｚであった。よって、本発明を用いることによって、ＰＤｆの温度依存性を低減することができた。
【０１５５】
尚、ＡｒＦレーザを照射するアーム導波路（７０６，７０８）の部位は、半波長板７３２から離れていても良く、照射量が対称であれば半波長板７３２に対して対称である必要はない。
【０１５６】
本実施例では複屈折の調整に波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いた。これは、コアの屈折率変化が波長２４５ｎｍのＧｅＯ2に関連した吸収に起因しており、２４５ｎｍ付近に発振波長を有するレーザを照射することで、効率よく屈折率変化もしくは複屈折変化が可能となるからである。さらには、可視域のレーザでも２光子吸収により同様の変化を誘起することができる。従って、レーザとしてはＡｒＦエキシマレーザに限定されるものではなく、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ｎ2レーザ、ＫｒＦエキシマレーザやＦ2エキシマレーザなどの各種エキシマレーザ、Ａｒイオンレーザ、Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ、アレキサンドライト（Ｃｒ3+：ＢｅＡｌ2Ｏ3）レーザの第２次、３次、４次高調波、など紫外・可視領域の波長を有するものであればよい。
【０１５７】
本実施例において、複屈折の調整手法にはＡｒＦレーザ照射を用いたが、例えば以下のような複屈折調整手法を用いて、同様な効果を得ることができる。
（１）応力付与膜を導波路の上部に配置し、導波路に誘起される応力を変化させて複屈折を制御する手法を用いることもできる（非特許文献４参照)。すなわち、応力付与膜（図示しない）をアーム導波路（７０６，７０８）の上部に形成し、二本のアーム導波路の光信号の伝搬方向に向かって複屈折の値を積分したそれぞれの値の差が所望の値となるように、アーム導波路に誘起される応力を調整することもできる。
（２）導波路上部付近に配置した薄膜ヒータを局所的に加熱して恒久的に実効屈折率もしくは複屈折を制御する手法を用いることもできる（特許文献２参照）。すなわち、薄膜ヒータ（図示しない）をアーム導波路（７０６，７０８）の上部付近に形成し、二本のアーム導波路の光信号の伝搬方向に向かって複屈折の値を積分したそれぞれの値の差が所望の値となるように制御することによって、アーム導波路に誘起される応力を調整することもできる。
（３）導波路の両側に応力開放溝を設け、導波路に加わっている応力を緩和することで実効屈折率もしくは複屈折を制御する手法を用いることもできる（特許文献１参照）。すなわち、二本のアーム導波路（７０６，７０８）の各々について、光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように、アーム光導波路の両脇の一部に応力開放溝（図示しない）を形成し、複屈折複屈折を調整することもできる。
【実施例２】
【０１５８】
図８に本発明の第二の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。図８に示すＭＺＩ８００は、二つの多モード干渉計型結合器（８２２，８２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（８０６，８０８）とを備える。また、ＭＺＩ８００は、アーム導波路８０６の光路長を二分するようにアーム導波路８０６をその中心においてアーム導波路８０６ａとアーム導波路８０６ｂとに、アーム導波路８０８の光路長を二分するようにアーム導波路８０８をその中心においてアーム導波路８０８ａとアーム導波路８０８ｂとに分断するようにして形成された溝に挿入された半波長板８３２を備える。多モード干渉計型結合器８２２は二つの入力導波路（８０２，８０４）を備え、多モード干渉計型結合器８２４は二つの出力導波路（８１０，８１２）を備える。
【０１５９】
偏波回転器としての半波長板８３２の構成、配置および機能は、第一の実施例における半波長板７３２と同様である。
【０１６０】
本実施例のＭＺＩ８００では、二つアーム導波路（８０６，８０８）の幅を変化させることによって、複屈折の調整が行われている。導波路幅を変化させることによって、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）をゼロにすることが可能となる（特許文献３参照）。
【０１６１】
多モード干渉計型結合器（８２２，８２４）近傍ではアーム導波路（８０６，８０８）の幅を７μｍ幅とし、半波長板８３２近傍ではアーム導波路の幅を１２μｍ幅としている。
【０１６２】
本ＭＺＩ８００は、二本のアーム導波路（８０６，８０８）の長さの差（ΔＬ）は、第一の実施例における二本のアーム導波路（７０６，７０８）と同様に、２０．７ｍｍとしている。
【０１６３】
二つの導波路幅を用いる効果を具体的に数式を用いて説明する。アーム導波路１における、太幅の導波路の長さをＬw1、細幅の導波路の長さをＬn1とする。アーム導波路２における、太幅の導波路の長さをＬw2、細幅の導波路の長さをＬn2とする。また、太幅の導波路の複屈折をＢw、細幅の導波路の複屈折をＢnとする。これらを用いて、二本のアーム導波路の伝搬方向の複屈折の積分値の差Δ（ＢＬ）は式（４８）となる。
【０１６４】
【数４７】
【０１６５】
簡単のため、Ｌw1＝０とすると、式（４９）となる。
【０１６６】
【数４８】
【０１６７】
ここで、二本のアーム導波路の長さの差を
【０１６８】
【数４９】
【０１６９】
、複屈折の差をΔＢ＝Ｂir−Ｂnonとした。式（４９）が０となる条件は式（５０）となる。
【０１７０】
【数５０】
【０１７１】
上式を満たすように考慮してＬw2を決定した。具体的には、Ｂw＝１．５７×１０-4、Ｂn＝０．８７×１０-4、Ｌw1＝０．５ｍｍ、Ｌw2＝２６．２ｍｍとした。
【０１７２】
ここでΔ（ＢＬ）をゼロにするためだけであれば、アーム導波路１に太い導波路は必要ないが、以下の理由でアーム導波路１にも太い導波路を配置することが望ましい。
・アーム導波路間で、テーパ導波路のある／なしの損失の差を解消する。
・半波長板が分断する導波路の幅を太くすることによって、閉じ込め構造をもたない半波長板にて放射するときの回折損失を抑制する。
【０１７３】
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．０５ＧＨｚまで抑制することができた。
【０１７４】
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚまで抑制することができた。
【実施例３】
【０１７５】
図９に本発明の第三の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。図９に示すＭＺＩ９００は、二つの多モード干渉計型結合器（９２２，９２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（９０６，９０８）とを備える。また、ＭＺＩ９００は、アーム導波路９０６の導波路長を二分するようにアーム導波路９０６をその中心においてアーム導波路９０６ａとアーム導波路９０６ｂとに、アーム導波路９０８の導波路長を二分するようにアーム導波路９０８をその中心においてアーム導波路９０８ａとアーム導波路９０８ｂとに分断するようにして形成された溝に挿入された半波長板９３２を備える。多モード干渉計型結合器９２２は二つの入力導波路（９０２，９０４）を備え、多モード干渉計型結合器９２４は二つの出力導波路（９１０，９１２）を備える。
【０１７６】
偏波回転器としての半波長板９３２の構成、配置および機能は、第一の実施例における半波長板７３２と同様である。
【０１７７】
本ＭＺＩ９００は、二本のアーム導波路（９０６，９０８）の長さの差（ΔＬ）は、第一の実施例における二本のアーム導波路（７０６，７０８）と同様に、２０．７ｍｍとしている。
【０１７８】
本構成の特徴は、複屈折の値を１．５×１０-4としたことにある。ここで、上部クラッドガラスの熱膨張係数、軟化温度を変化させることによって複屈折の調整をおこなった。すなわち、上部クラッドガラスは、石英に対して三酸化ホウ素を１０ｍｏｌ％、五酸化リンを１０ｍｏｌ％の割合で添加した。その結果、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は下式より３．１×１０-4となる。
【０１７９】
【数５１】
【０１８０】
この偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は、使用波長を１．５５μｍとした時、次数は２となり、式（１６）かつ式（２６）をほぼ満たすこととなる。
【０１８１】
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．００６ＧＨｚまで抑制することができた。
【０１８２】
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚまで抑制することができた。
【実施例４】
【０１８３】
図１０および１１に本発明の第四の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。また、
ＭＺＩ１０００は、シリコン基板１１０２上に作成された、二つの多モード干渉計型結合器（１０２２，１０２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（１００６，１００８）とを備える。また、ＭＺＩ１０００は、アーム導波路１００６の導波路長を二分するようにアーム導波路１００６をその中心においてアーム導波路１００６ａとアーム導波路１００６ｂとに、アーム導波路１００８の導波路長を二分するようにアーム導波路１００８をその中心においてアーム導波路１００８ａとアーム導波路１００８ｂとに分断するようにして形成された溝１１２０に挿入された半波長板１０３２を備える。多モード干渉計型結合器１０２２は二つの入力導波路（１００２，１００４）を備え、多モード干渉計型結合器１０２４は二つの出力導波路（１０１０，１０１２）を備える。
【０１８４】
図１１に示すように、偏波回転器としての半波長板１０３２は、半波長板１０３２ａおよび半波長板１０３２ｂを備える。半波長板１０３２ａおよび半波長板１０３２ｂは、光学主軸が伝搬方向と直交し、かつ、基板の水平方向（あるいは法線）から４５度傾いており、さらに、半波長板１０３２ａの主軸の向きと半波長板１０３２ｂの主軸の向きが互いに直交している。
【０１８５】
半波長板１０３２ａおよび半波長板１０３２ｂは、遅軸と速軸をそれぞれ伝搬する偏波に設計波長の半波長相当の位相差を与える。半波長板１０３２は、ＴＭ偏波をＴＥ偏波に、ＴＥ偏波をＴＭ偏波に偏波変換する機能を有する。
【０１８６】
本実施例では、上部クラッドガラスに石英に対して三酸化ホウ素を２０ｍｏｌ％、五酸化リンを５ｍｏｌ％の割合で添加し、複屈折の値を０．７７５×１０-4とした。その結果、偏波に依存した光路長差は式（５２）より１．５５×１０-6となる。
【０１８７】
【数５２】
【０１８８】
この偏波に依存した光路長差は、使用波長を１．５５μｍとした時、次数は１となり、式（３５）かつ式（４４）をほぼ満たすことができる。
【０１８９】
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．０７ＧＨｚまで抑制することができた。
【０１９０】
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚまで抑制することができた。
【０１９１】
上記第一乃至第三の実施例を本実施例に適用して複屈折の値を調整することができることは言うまでもない。
【０１９２】
さらに、以上の実施例では、ＦＳＲが１０ＧＨｚのＭＺＩを用いた。その他、２０ＧＨｚ、４０ＧＨｚなど他のＦＳＲであっても同様な効果が期待できる事は明白である。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図２】従来技術の第一例のマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図３】透過スペクトルが偏波無依存となる条件を説明するための図である。
【図４】（ａ）は半波長板の動作波長が使用波長から４％だけずれた場合のＰＤｆと複屈折の関係を計算した結果を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大図である。
【図５】（ａ）は図４（ａ）に関して横軸を次数とした図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大図である。
【図６】本発明の実施形態の光信号処理器の導波路作製工程を説明するための図である。
【図７】本発明の第一の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図８】本発明の第二の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図９】本発明の第三の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図１０】本発明の第四の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図１１】本発明の第四の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【符号の説明】
【０１９４】
１００，２００，３００，７００，８００，９００，１０００ マッハツェンダ干渉計回路
１０６，１０８，２０６，２０８，３０６，３０８，７０６，７０８，８０６，８０８，９０６，９０８，１００６，１００８ アーム導波路
１２２，１２４，２２２，２２４，３２２，３２４，７２２，７２４，８２２，８２４，９２２，９２４，１０２２，１０２４ 結合器
２３２，７３２，８３２，９３２，１０３２ 半波長板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の長距離・大容量化へのさらなる要求から、波長多重通信は重要な技術となっている。この波長多重通信システムに必要不可欠なデバイスとして、光信号を波長によって合分波するための波長合分波フィルタがある。例えば、シンプルな波長合分波フィルタとしては、光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計回路（以下、ＭＺＩ）を用いたものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図１に、このＭＺＩの概略図を示す。ＭＺＩ１００は、二つの結合器（１２２，１２４）と、二つの結合器を結ぶアーム導波路（１０６，１０８）とを備え、結合器１２２は二つの入力導波路（１０２、１０４）を、結合器１２４は二つの出力導波路（１１０，１１２）を備える。
【０００４】
以下では、マッハツェンダ干渉計の動作原理とその偏波依存性について説明する。
【０００５】
ＭＺＩ１００において、入力Ｉ１（入力導波路１０２）から出力Ｏ１（出力導波路１１０）へのパスをスルーパス、入力Ｉ１（入力導波路１０４）から出力Ｏ２（出力導波路１１２）へのパスをクロスパスと定義する。このとき、公知の干渉原理によって、各パスの光出力（Ｏthrough、Ｏcross）は下式のように記述できる。（ここでは結合器の結合率は５０％とした。）
【０００６】
【数１】
【０００７】
尚、Ｉ０は入力光の光強度、ｎは実効屈折率、ΔＬは二本のアーム導波路の長さの差、λは使用波長を示す。
【０００８】
スルーパスは式（１）よりｎΔＬ＝λｍ、クロスパスは式（２）より
【０００９】
【数２】
【００１０】
を満たす信号波長において、周期的に光信号が消光し他方のパスへ出力され、波長合分波フィルタとして機能する。
【００１１】
このようなデバイスに用いられる光導波路の作製方法としては、例えば次のようなものがある。
【００１２】
火炎堆積法を用いてシリコン基板上に、ＳｉＯ2を主体とした下部アンダークラッド層およびＳｉＯ2にＧｅＯ2を添加したコア層を順に堆積する。次いで、反応性イオンエッチングを用いてコア層をパターン化する。再び火炎堆積法を用いて、オーバクラッド層を堆積して埋め込み型光導波路を作製する。
【００１３】
通常、このような光導波路は、コアの形状や、基板とクラッドの熱膨張係数の違いにより発生する応力によって、複屈折を有する。つまり、基板に垂直な偏光方向を有するＴＭ偏波と基板に平行な偏光方向を有するＴＥ偏波の実効屈折率（ｎTE，ｎTM）はそれぞれ異っている。ここで、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は次式で与えられる。
【００１４】
【数３】
【００１５】
尚、ｌ1，ｌ2はそれぞれ二本のアーム導波路に沿う線座標である。また、
【００１６】
【数４】
【００１７】
は複屈折値のアーム導波路に沿う線積分である。
【００１８】
偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は有限の値を持つため、消光する波長に偏波依存性が発生する。この偏波依存性は偏波依存損失（ＰＤＬ）や偏波依存周波数差（ＰＤｆ）の発生要因となり、信号品質を大きく劣化させる。
【００１９】
この偏波依存性を解消するための手法として、以下のようなものが知られている。
【００２０】
（従来技術の第一例）
二本のアーム導波路の中心を結ぶ直線上に、使用波長の１／２相当の半波長板を、基板面の水平方向（あるいは法線）から主軸が４５度傾くように挿入したマッハツェンダ干渉計回路がある（非特許文献２参照）。
【００２１】
図２に、従来技術の第一例のＭＺＩの概略図を示す。ＭＺＩ２００は、二つの結合器（２２２，２２４）と、二つの結合器を結ぶ二つのアーム導波路（２０６，２０８）とを備える。さらに、ＭＺＩ２００は、アーム導波路（２０６，２０８）の光路長を二分するように配置された半波長板２３２を備える。また、結合器２２２は二つの入力導波路（２０２，２０４）を、結合器２２４は二つの出力導波路（２１０，２１２）を備える。
【００２２】
ＭＺＩ２００では、光信号が半波長板２３２までＴＥ偏波（もしくはＴＭ偏波）でアーム導波路（２０６，２０８）の半分の距離を伝搬し、半波長板２３２でＴＥ偏波からＴＭ偏波（もしくはＴＭ偏波からＴＥ偏波）に偏波変換される。そして、アーム導波路（２０６，２０８）の残りの半分の距離をＴＭ偏波（もしくはＴＥ偏波）で伝搬する。ＴＥ偏波（もしくはＴＭ偏波）からＴＭ偏波（もしくはＴＥ偏波）へ偏波変換された光信号は、いずれも光路長差
【００２３】
【数５】
【００２４】
となり、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）を解消することができる。
【００２５】
（従来技術の第二例）
偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）を使用光波長の整数倍（０を含む）としたマッハツェンダ干渉計回路がある（特許文献１参照）。これは、マッハツェンダ干渉計では使用波長λの整数倍の位相差を識別できないことから、見掛け上、ＴＭ偏波の干渉条件とＴＥ偏波の干渉条件とが一致することに着目し、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）を整数倍（０を含む）としたものである。
【００２６】
【特許文献１】特公平６−６０９８２号公報
【特許文献２】特許第３７０３０１３号公報
【特許文献３】国際公開第０１／０５９４９５号パンフレット
【非特許文献１】K. Inoue et al., “A Four-Channel Optical Waveguide Multi/Demultiplexer for 5-GHz Spaced Optical FDM Transmission”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.6, No.2, FEB. 1988, pp.339-345
【非特許文献２】Y. Inoue et al., “Elimination of Polarization Sensitivity in Silica-Based Wavelength Division Multiplexer Using a Polyimide Half Waveplate”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.15, No.10, Oct. 1997, pp.1947-1957
【非特許文献３】B. L. Heffner, “Deterministic, Analyticall Complete Measurement of Polarization-Dependent Transmission Through Optical Devices”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.4, NO.5, MAY 1992, pp.451-454
【非特許文献４】M. Okuno et al., “Birefringence Control of Silica Waveguides on Si and Its Application to a Polarization-Beam Splitter/Switch”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.12, NO.4, APRIL, 1994, pp.625-633
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
しかしながら、前述のマッハツェンダ干渉計回路（以下、ＭＺＩ）は以下に述べる問題があった。
【００２８】
従来技術の第一例は、半波長板を用いて、ＴＥ偏波をＴＭ偏波（もしくは、ＴＭ偏波をＴＥ偏波）に完全に偏波変換を行うことが前提である。しかしながら、半波長板の膜厚は作製誤差によって所望の厚さからずれるため、設計波長とは一致しない。この結果、ＴＥ偏波からＴＭ偏波へ完全に偏波変換せず、その一部がＴＥ偏波として残ってしまう。そのような半波長板を使用した場合、従来技術の第一例では、ＴＥ偏波で入射し偏波変換せずにそのまま伝播したＴＥ偏波の光路長差はｎTEΔＬとなる。つまり、偏波に因らず光路長差を
【００２９】
【数６】
【００３０】
とする目的が達成されず、消光する周波数に偏波依存性が発生してしまう。
【００３１】
例えば、消光する波長の周波数間隔（周期）をＦＳＲ（Frequency Spectral Range)、偏波に依存した消光する波長の差の最大値をＰＤｆ（Polarization Dependent Frequency）と定義した場合、ＦＳＲが１０ＧＨｚの従来技術の第一例のマッハツェンダ干渉計回路においてそのＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．４ＧＨｚも発生してしまう。信号品質の劣化を避ける目的で、このＰＤｆはＦＳＲの１００分の１以下が要求されており、従来技術では仕様を満たすことは困難であった。
【００３２】
従来技術の第二例では、ＰＤｆが大きな複屈折依存性を有することが問題となる。その結果、ＦＳＲの１００分の１というＰＤｆを満たす事が非常に困難であり、また、温度依存性に対しても大きなＰＤｆ変動を有してしまう。簡単にこの複屈折依存性に関して説明する。
【００３３】
スルーパスにおけるＴＥ偏波およびＴＭ偏波の消光する周波数
【００３４】
【数７】
【００３５】
は次式を満たす。
【００３６】
【数８】
【００３７】
ここで、ｍは次数、ＦＳＲTEおよびＦＳＲTMはそれぞれＴＥ偏波およびＴＭ偏波のＦＳＲ、ｃは光速を示す。上の二式からＰＤｆは次式と変形できる。
【００３８】
【数９】
【００３９】
ここで、
【００４０】
【数１０】
【００４１】
である。実効屈折率を１．４５、消光する周波数を１９３ＴＨｚとしたとき、上式より、ＰＤｆの複屈折に対する変化量は１３３×１０１２となる。これは、複屈折が０．１×１０-4だけ変化した時、ＰＤｆが１．３３ＧＨｚも変化することを意味しており、ＰＤｆが大きな複屈折依存性を有することがわかる。従って、複屈折の高精度な調整が必要となり、ＦＳＲの１００分の１というＰＤｆを満たす事は非常に困難であった。
【００４２】
一方、環境温度によって生じる、基板とクラッドとの熱膨張係数の違いや、回路を接着する放熱基板と回路基板との熱膨張係数の違いによって、導波路に加わる内部応力が変化する。その結果、光弾性効果を介して複屈折の値が変化するため、環境温度によってＰＤｆが変動してしまう。
【００４３】
例えば、従来技術の第二例を用いてＰＤｆを０．３３ＧＨｚまで複屈折を調整した、ＦＳＲが１０ＧＨｚのマッハツェンダ干渉計において、環境温度を−１０℃から８０℃まで変化させた場合、ＰＤｆが６ＧＨｚも変動し問題となっている。
【００４４】
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、透過スペクトルの偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４５】
発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は光信号処理器であって、各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝に設けられており、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、２ｍ−０．２から２ｍ＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする。
【００４６】
請求項２に記載の発明は、光信号処理器であって、各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する二つの偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝にそれぞれ設けられており、前記偏波回転器の一方で変換される光信号と、前記偏波回転器の他方で変換される光信号の位相がπずれており、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、（２ｍ−１）−０．２から（２ｍ−１）＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする。
【００４７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の前記偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であることを特徴とする。
【００４８】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の前記二つの偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であって、前記偏波回転器の一方の光学主軸と前記偏波回転器の他方の光学主軸とが直行することを特徴とする。
【００４９】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の前記結合器は、方向性結合器または多モード干渉型結合器であることを特徴とする。
【００５０】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、導波路幅が部分的に変化する導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【００５１】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、部分的にレーザが照射された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【００５２】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、両脇の一部に応力開放溝が形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【００５３】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力付与膜が上面に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【００５４】
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力を変化させるための薄膜ヒータが上部に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００５５】
以上説明したように、本発明によれば、透過スペクトルの偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
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。
始めに図３を参照して、半波長板の動作波長が設計波長からずれたとしても、透過スペクトルが偏波無依存となる条件について説明する。
【００５７】
半波長板の動作波長が設計波長からずれた場合に、偏波変換しなかった偏波の光路長差と、偏波変換した偏波の光路長差が一致しないことが問題である。そこで、それらの光路長差を見かけ上同じにすることを考える。
【００５８】
具体的には、ＴＥ偏波で入射し偏波変換せずにそのまま伝播したＴＥ偏波の光路長差ｎTEΔＬと、ＴＭ偏波で入射し半波長板にて偏波変換してＴＥ偏波で伝搬した偏波の光路長差
【００５９】
【数１１】
【００６０】
との差を、ゼロもしくは使用波長の整数倍とし、かつ、ＴＭ偏波で入射し偏波変換せずにそのまま伝播したＴＭ偏波の光路長差ｎTMΔＬと、ＴＥ偏波で入射し半波長板にて偏波変換してＴＭ偏波で伝搬した偏波の光路長差
【００６１】
【数１２】
【００６２】
との差を、ゼロもしくは使用波長の整数倍とする。
数式を用いて、より具体的に説明する。
【００６３】
＜半波長板の主軸が同じ方向／スルーパスの場合＞
二本のアーム導波路の中央に半波長板が挿入されたマッハツェンダ干渉計であり、半波長板の光学主軸の向きが、基板の面に垂直な線（法線）から４５度だけ傾きかつ光信号の伝搬方向と直交しており、それぞれのアーム導波路に挿入された半波長板の光学主軸の向きが同じ方向であるＭＺＩにおいて、Ｉ１、アーム１、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（７）となる。
【００６４】
【数１３】
【００６５】
ここで、φTEおよびφTMはそれぞれ二本のアーム導波路間のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の位相差、Ψは半波長板で与えられる位相差である。尚、結合器の結合率は５０％とし、Ψは波長板が設計波長からずれた場合を仮定するので、πとその整数倍以外を仮定する。また、Ｉ１、アーム２、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（８）となる。
【００６６】
【数１４】
【００６７】
式（７）および（８）より、スルーパスの光出力は式（９）となる。
【００６８】
【数１５】
【００６９】
式（９）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は
【００７０】
【数１６】
【００７１】
を満たす時なので、次式を満たせばよい。
【００７２】
【数１７】
【００７３】
ここで、ｍ、ｎ、αは整数を示す。従って、次式となる。
【００７４】
【数１８】
【００７５】
式（１３）を書きかえると式（１５）となる。
【００７６】
【数１９】
【００７７】
さらに書き換えて、式（１６）が導出される。
【００７８】
【数２０】
【００７９】
これより、偏波に依存した光路長差が消光する波長（使用波長）の偶数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。
【００８０】
一般に、作製誤差のため、導波路の複屈折の値はずれる。しかし、目標とするＦＳＲの１００分の１というＰＤｆを満たすためにはある程度の複屈折のばらつきは許容される。
【００８１】
そこで、目標とするＰＤｆを達成するための複屈折（もしくは、偏波に依存した光路長差の次数）の許容値を求める。
【００８２】
ある波長における光出力の最大値、最小値は、ＭＺＩのジョーンズ行列をＭとすると、Ｍの複素共役の転置行列（Ｍ＊）TとＭとの積の固有値を求めることによって導き出せる（非特許文献３参照）。式（９）よりＭＺＩのジョーンズ行列は以下の通り書ける。
【００８３】
【数２１】
【００８４】
（Ｍ＊）TＭの固有値を波長（または周波数）に対して計算し、１．５５μｍ付近のスペクトルを計算しＰＤｆを導出した。
【００８５】
図４（ａ）および（ｂ）に、半波長板の動作波長が使用波長からずれた場合のＰＤｆと複屈折の関係を計算した結果を示す。計算では、結合器の結合率は５０％とし、半波長板の動作波長が使用波長から４％ずれた場合を仮定した。これは我々が用いている半波長板の動作波長が、設計波長から４％の誤差（標準偏差）を有するためである。図４（ａ）および（ｂ）より、ＰＤｆをＦＳＲの１００分の１とするためには、複屈折の変動は±０．１×１０-4以下とすればよい。
【００８６】
図５（ａ）および（ｂ）に、図４（ａ）および（ｂ）に関して、横軸を次数（偏波に依存性した光路長差Δ（ＢＬ）を使用波長で割った値）とした場合のグラフを示す。図５（ａ）および（ｂ）より、許容される次数の変動量は±０．２次となることがわかる。
【００８７】
同様に、図４（ａ）および（ｂ）を用いて環境温度変化によるＰＤｆの変化が類推できる。
【００８８】
図４（ａ）および（ｂ）の太線は本発明における、細線は従来技術の第二例における、ＰＤｆの複屈折依存性を示したものである。本発明のＰＤｆの複屈折依存性が従来技術の第二例に比べて緩和されていることがわかる。つまり、複屈折は環境温度によって変化するため、ＰＤｆの環境温度依存性が緩和されることがわかる。
【００８９】
＜半波長板の主軸が同じ方向／クロスパスの場合＞
クロスパスについても同様に、消光する波長において偏波無依存となる条件を計算できる。
Ｉ１、アーム１、およびＯ２を伝搬し出力される光出力は式（１８）となる。
【００９０】
【数２２】
【００９１】
ここで、φTEおよびφTMはそれぞれ二本のアーム導波路間のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の位相差、Ψは半波長板で与えられる位相差である。結合器の結合率は５０％とした。また、Ｉ１、アーム２、およびＯ２を伝播し出力される光出力は式（１９）となる。
【００９２】
【数２３】
【００９３】
上の二式より、クロスパスの光出力は式（２０）と表すことができる。
【００９４】
【数２４】
【００９５】
式（２０）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は
【００９６】
【数２５】
【００９７】
を満たす時なので次式を満たせばよい。
【００９８】
【数２６】
【００９９】
ここで、ｍ、ｎ、αは整数を示す。従って、次式となる。
【０１００】
【数２７】
【０１０１】
さらに書き換えて、式（２６）が導出される。
【０１０２】
【数２８】
【０１０３】
これより、ある消光する波長において偏波に依存した光路長差を偶数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。
【０１０４】
＜半波長板の主軸が直交／スルーパスの場合＞
二本のアーム導波路の中央に半波長板が挿入されたマッハツェンダ干渉計であり、二本のアーム導波路に設けられる半波長板の主軸が、基板の面に垂直する線から４５度だけ傾きかつ光信号の伝搬方向と直交しており、それぞれのアーム導波路に挿入された波長板の主軸の向きが直交しているＭＺＩにおいて、Ｉ１、アーム１、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（２７）となる。
【０１０５】
【数２９】
【０１０６】
また、Ｉ１、アーム２、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（２８）となる。
【０１０７】
【数３０】
【０１０８】
式（２７）および（２８）より、スルーパスの光出力は式（２９）となる。
【０１０９】
【数３１】
【０１１０】
式（２９）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は
【０１１１】
【数３２】
【０１１２】
を満たす時なので、次式を満たせばよい。
【０１１３】
【数３３】
【０１１４】
ここで、ｍ、ｎ、αは整数である。従って、次式となる。
【０１１５】
【数３４】
【０１１６】
さらに書き換えて、式（３５）が導出される。
【０１１７】
【数３５】
【０１１８】
これより、ある消光する波長において偏波に依存した光路長差を奇数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。
【０１１９】
＜半波長板の主軸が直交／クロスパスの場合＞
クロスパスについても同様に偏波無依存条件を計算できる。
Ｉ１、アーム１、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（３６）となる。
【０１２０】
【数３６】
【０１２１】
ここで、φTEおよびφTMはそれぞれ二本のアーム導波路間のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の位相差、Ψは半波長板で与えられる位相差である。結合器の結合率は５０％とした。また、Ｉ１、アーム２、およびＯ１を伝播し出力される光出力は式（３７）となる。
【０１２２】
【数３７】
【０１２３】
上の二式より、スルーパスの光出力は式（３８）と表すことができる。
【０１２４】
【数３８】
【０１２５】
式（３８）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は
【０１２６】
【数３９】
【０１２７】
を満たす時なので次式を満たせばよい。
【０１２８】
【数４０】
【０１２９】
従って、次式となる。
【０１３０】
【数４１】
【０１３１】
さらに書き換えて、式（４４）が導出される。
【０１３２】
【数４２】
【０１３３】
これより、ある消光する波長において偏波に依存した光路長差を奇数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。
【０１３４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、以下では光導波路としてシリコン基板上に形成された石英系光導波路を例にとって説明する。これは、この組み合わせが安定で信頼性に優れた光導波路デバイスを作製するのに適しているからである。しかしながら、本発明はこの組み合わせに限定されるものではなく、シリコンまたは石英ガラスまたはソーダガラスなどの基板上に、石英系光導波路またはシリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）などの光導波路、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）系樹脂などの有機系光導波路、シリコン光導波路を用いたものでも無論構わない。
【０１３５】
また、以下では結合器として多モード干渉計型結合器を用いる例をとって説明するが、方向性結合器を用いることもできる。
【０１３６】
図６を参照して、本実施形態の導波路作製工程を簡単に説明する。シリコン基板６０２上に火炎堆積法（ＦＨＤ）でＳｉＯ2を主体にした下部クラッドガラス微粒子６０４、およびＳｉＯ2にＧｅＯ2を添加したコアガラス微粒子６０６を順に堆積する（図６（１））。この段階ではガラス微粒子は光を散乱するため白い膜に見える。
【０１３７】
その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行う。ガラス微粒子を表面に堆積したシリコン基板を徐々に加熱していくと、ガラス微粒子が溶けて透明なガラス膜が形成される。この時に、下部クラッドガラス層６０４は３０ミクロン厚、コアガラス層６０６は７ミクロン厚となるように、ガラス微粒子の堆積を行っている（図６（２））。
【０１３８】
引き続き、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってコアガラス層６０６のパターン化を行う（図６（３））。
【０１３９】
上部クラッドガラス微粒子６０８を火炎堆積法でコア上部に堆積する（図６（４））。最後に高温透明化を行い、埋め込み導波路を作製する（図６（５））。上部クラッドガラス層６０８にはドーパントとして、三酸化ホウ素および五酸化リンを添加してガラス転移温度を下げ、最後の高温透明化の工程でコアが変形しないようにしている。
【実施例１】
【０１４０】
図７に本発明の第一の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。図７に示すＭＺＩ７００は、二つの多モード干渉計型結合器（７２２，７２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（７０６，７０８）とを備える。また、ＭＺＩ７００は、アーム導波路７０６の光路長を二分するようにアーム導波路７０６をその中心においてアーム導波路７０６ａとアーム導波路７０６ｂとに、アーム導波路７０８の光路長を二分するようにアーム導波路７０８をその中心においてアーム導波路７０８ａとアーム導波路７０８ｂとに分断するようにして形成された溝に挿入された半波長板７３２を備える。多モード干渉計型結合器７２２は二つの入力導波路（７０２，７０４）を備え、多モード干渉計型結合器７２４は二つの出力導波路（７１０，７１２）を備える。
【０１４１】
偏波回転器としての半波長板７３２はポリイミド波長板であり、光学主軸が伝搬方向と直交し、かつ、基板面の水平方向（あるいは基板面の法線）から４５度傾いており、遅軸と速軸をそれぞれ伝搬する偏波に設計波長の半波長相当の位相差を与える。半波長板７３２は、ＴＭ偏波をＴＥ偏波に、ＴＥ偏波をＴＭ偏波に偏波変換する機能を有する。
【０１４２】
本ＭＺＩ７００は、ＦＳＲを１０ＧＨｚとするため、二本のアーム導波路（７０６，７０８）の長さの差（ΔＬ）を２０．７ｍｍとしている。
【０１４３】
また、本実施例のＭＺＩ７００は、半波長板７３２の前後においてアーム導波路の一部にＡｒＦ（フッ化アルゴン）レーザを照射することによって、複屈折の調整を行っている。これにより、本ＭＺＩ７００におけるΔ（ＢＬ）をゼロとし偏波依存性の抑制を行っている。
【０１４４】
Δ（ＢＬ）をゼロとするための手法を具体的に以下で説明する。
アーム導波路１（７０６）において、レーザ照射領域の導波路の長さをＬir1、レーザ未照射領域の導波路の長さをＬnon1とする。アーム導波路２（７０８）において、レーザ照射領域の導波路の長さをＬir2、レーザ未照射領域の導波路の長さをＬnon2とする。レーザ照射領域の複屈折をＢir、レーザ未照射領域の複屈折をＢnonとする。これらを用いて、Δ（ＢＬ）は式（４５）となる。
【０１４５】
【数４３】
【０１４６】
簡単のため、Ｌir1＝０とすると、式（４６）となる。
【０１４７】
【数４４】
【０１４８】
ここで、二本のアーム導波路の長さの差を
【０１４９】
【数４５】
【０１５０】
、複屈折の差をΔＢ＝Ｂir−Ｂnonとした。式（４６）が０となる条件は式（４７）となる。
【０１５１】
【数４６】
【０１５２】
そこで、式（４７）を満たすようにＬir2を１０ｍｍとし、ΔＢが２．１×１０-4となるようレーザ照射を行った。レーザとしては、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いて、照射パワーはＩＪ／ｃｍ２、パルス繰り返しは５０Ｈｚ、照射時間は５３０ｓｅｃとした。また、金属マスクを用いて、金属マスクが覆われていない半波長板を挟んだ二箇所のレーザ照射領域のみにレーザの照射をおこなった。照射面積は５０μｍ×５ｍｍである。一方、ΔＬは２０．７ｍｍ、Ｂnonは１×１０-4であり、Δ（ＢＬ）はほぼゼロとなった。
【０１５３】
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．０４ＧＨｚまで抑制することができた。第一の従来技術のＭＺＩでは、そのＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．３５ＧＨｚであった。よって、本発明を用いることによってＰＤｆを抑制することができた。
【０１５４】
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚであった。一方、第二の従来技術のＭＺＩでは、そのＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに６ＧＨｚであった。よって、本発明を用いることによって、ＰＤｆの温度依存性を低減することができた。
【０１５５】
尚、ＡｒＦレーザを照射するアーム導波路（７０６，７０８）の部位は、半波長板７３２から離れていても良く、照射量が対称であれば半波長板７３２に対して対称である必要はない。
【０１５６】
本実施例では複屈折の調整に波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いた。これは、コアの屈折率変化が波長２４５ｎｍのＧｅＯ2に関連した吸収に起因しており、２４５ｎｍ付近に発振波長を有するレーザを照射することで、効率よく屈折率変化もしくは複屈折変化が可能となるからである。さらには、可視域のレーザでも２光子吸収により同様の変化を誘起することができる。従って、レーザとしてはＡｒＦエキシマレーザに限定されるものではなく、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ｎ2レーザ、ＫｒＦエキシマレーザやＦ2エキシマレーザなどの各種エキシマレーザ、Ａｒイオンレーザ、Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ、アレキサンドライト（Ｃｒ3+：ＢｅＡｌ2Ｏ3）レーザの第２次、３次、４次高調波、など紫外・可視領域の波長を有するものであればよい。
【０１５７】
本実施例において、複屈折の調整手法にはＡｒＦレーザ照射を用いたが、例えば以下のような複屈折調整手法を用いて、同様な効果を得ることができる。
（１）応力付与膜を導波路の上部に配置し、導波路に誘起される応力を変化させて複屈折を制御する手法を用いることもできる（非特許文献４参照)。すなわち、応力付与膜（図示しない）をアーム導波路（７０６，７０８）の上部に形成し、二本のアーム導波路の光信号の伝搬方向に向かって複屈折の値を積分したそれぞれの値の差が所望の値となるように、アーム導波路に誘起される応力を調整することもできる。
（２）導波路上部付近に配置した薄膜ヒータを局所的に加熱して恒久的に実効屈折率もしくは複屈折を制御する手法を用いることもできる（特許文献２参照）。すなわち、薄膜ヒータ（図示しない）をアーム導波路（７０６，７０８）の上部付近に形成し、二本のアーム導波路の光信号の伝搬方向に向かって複屈折の値を積分したそれぞれの値の差が所望の値となるように制御することによって、アーム導波路に誘起される応力を調整することもできる。
（３）導波路の両側に応力開放溝を設け、導波路に加わっている応力を緩和することで実効屈折率もしくは複屈折を制御する手法を用いることもできる（特許文献１参照）。すなわち、二本のアーム導波路（７０６，７０８）の各々について、光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように、アーム光導波路の両脇の一部に応力開放溝（図示しない）を形成し、複屈折複屈折を調整することもできる。
【実施例２】
【０１５８】
図８に本発明の第二の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。図８に示すＭＺＩ８００は、二つの多モード干渉計型結合器（８２２，８２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（８０６，８０８）とを備える。また、ＭＺＩ８００は、アーム導波路８０６の光路長を二分するようにアーム導波路８０６をその中心においてアーム導波路８０６ａとアーム導波路８０６ｂとに、アーム導波路８０８の光路長を二分するようにアーム導波路８０８をその中心においてアーム導波路８０８ａとアーム導波路８０８ｂとに分断するようにして形成された溝に挿入された半波長板８３２を備える。多モード干渉計型結合器８２２は二つの入力導波路（８０２，８０４）を備え、多モード干渉計型結合器８２４は二つの出力導波路（８１０，８１２）を備える。
【０１５９】
偏波回転器としての半波長板８３２の構成、配置および機能は、第一の実施例における半波長板７３２と同様である。
【０１６０】
本実施例のＭＺＩ８００では、二つアーム導波路（８０６，８０８）の幅を変化させることによって、複屈折の調整が行われている。導波路幅を変化させることによって、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）をゼロにすることが可能となる（特許文献３参照）。
【０１６１】
多モード干渉計型結合器（８２２，８２４）近傍ではアーム導波路（８０６，８０８）の幅を７μｍ幅とし、半波長板８３２近傍ではアーム導波路の幅を１２μｍ幅としている。
【０１６２】
本ＭＺＩ８００は、二本のアーム導波路（８０６，８０８）の長さの差（ΔＬ）は、第一の実施例における二本のアーム導波路（７０６，７０８）と同様に、２０．７ｍｍとしている。
【０１６３】
二つの導波路幅を用いる効果を具体的に数式を用いて説明する。アーム導波路１における、太幅の導波路の長さをＬw1、細幅の導波路の長さをＬn1とする。アーム導波路２における、太幅の導波路の長さをＬw2、細幅の導波路の長さをＬn2とする。また、太幅の導波路の複屈折をＢw、細幅の導波路の複屈折をＢnとする。これらを用いて、二本のアーム導波路の伝搬方向の複屈折の積分値の差Δ（ＢＬ）は式（４８）となる。
【０１６４】
【数４７】
【０１６５】
簡単のため、Ｌw1＝０とすると、式（４９）となる。
【０１６６】
【数４８】
【０１６７】
ここで、二本のアーム導波路の長さの差を
【０１６８】
【数４９】
【０１６９】
、複屈折の差をΔＢ＝Ｂir−Ｂnonとした。式（４９）が０となる条件は式（５０）となる。
【０１７０】
【数５０】
【０１７１】
上式を満たすように考慮してＬw2を決定した。具体的には、Ｂw＝１．５７×１０-4、Ｂn＝０．８７×１０-4、Ｌw1＝０．５ｍｍ、Ｌw2＝２６．２ｍｍとした。
【０１７２】
ここでΔ（ＢＬ）をゼロにするためだけであれば、アーム導波路１に太い導波路は必要ないが、以下の理由でアーム導波路１にも太い導波路を配置することが望ましい。
・アーム導波路間で、テーパ導波路のある／なしの損失の差を解消する。
・半波長板が分断する導波路の幅を太くすることによって、閉じ込め構造をもたない半波長板にて放射するときの回折損失を抑制する。
【０１７３】
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．０５ＧＨｚまで抑制することができた。
【０１７４】
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚまで抑制することができた。
【実施例３】
【０１７５】
図９に本発明の第三の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。図９に示すＭＺＩ９００は、二つの多モード干渉計型結合器（９２２，９２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（９０６，９０８）とを備える。また、ＭＺＩ９００は、アーム導波路９０６の導波路長を二分するようにアーム導波路９０６をその中心においてアーム導波路９０６ａとアーム導波路９０６ｂとに、アーム導波路９０８の導波路長を二分するようにアーム導波路９０８をその中心においてアーム導波路９０８ａとアーム導波路９０８ｂとに分断するようにして形成された溝に挿入された半波長板９３２を備える。多モード干渉計型結合器９２２は二つの入力導波路（９０２，９０４）を備え、多モード干渉計型結合器９２４は二つの出力導波路（９１０，９１２）を備える。
【０１７６】
偏波回転器としての半波長板９３２の構成、配置および機能は、第一の実施例における半波長板７３２と同様である。
【０１７７】
本ＭＺＩ９００は、二本のアーム導波路（９０６，９０８）の長さの差（ΔＬ）は、第一の実施例における二本のアーム導波路（７０６，７０８）と同様に、２０．７ｍｍとしている。
【０１７８】
本構成の特徴は、複屈折の値を１．５×１０-4としたことにある。ここで、上部クラッドガラスの熱膨張係数、軟化温度を変化させることによって複屈折の調整をおこなった。すなわち、上部クラッドガラスは、石英に対して三酸化ホウ素を１０ｍｏｌ％、五酸化リンを１０ｍｏｌ％の割合で添加した。その結果、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は下式より３．１×１０-4となる。
【０１７９】
【数５１】
【０１８０】
この偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は、使用波長を１．５５μｍとした時、次数は２となり、式（１６）かつ式（２６）をほぼ満たすこととなる。
【０１８１】
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．００６ＧＨｚまで抑制することができた。
【０１８２】
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚまで抑制することができた。
【実施例４】
【０１８３】
図１０および１１に本発明の第四の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。また、
ＭＺＩ１０００は、シリコン基板１１０２上に作成された、二つの多モード干渉計型結合器（１０２２，１０２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（１００６，１００８）とを備える。また、ＭＺＩ１０００は、アーム導波路１００６の導波路長を二分するようにアーム導波路１００６をその中心においてアーム導波路１００６ａとアーム導波路１００６ｂとに、アーム導波路１００８の導波路長を二分するようにアーム導波路１００８をその中心においてアーム導波路１００８ａとアーム導波路１００８ｂとに分断するようにして形成された溝１１２０に挿入された半波長板１０３２を備える。多モード干渉計型結合器１０２２は二つの入力導波路（１００２，１００４）を備え、多モード干渉計型結合器１０２４は二つの出力導波路（１０１０，１０１２）を備える。
【０１８４】
図１１に示すように、偏波回転器としての半波長板１０３２は、半波長板１０３２ａおよび半波長板１０３２ｂを備える。半波長板１０３２ａおよび半波長板１０３２ｂは、光学主軸が伝搬方向と直交し、かつ、基板の水平方向（あるいは法線）から４５度傾いており、さらに、半波長板１０３２ａの主軸の向きと半波長板１０３２ｂの主軸の向きが互いに直交している。
【０１８５】
半波長板１０３２ａおよび半波長板１０３２ｂは、遅軸と速軸をそれぞれ伝搬する偏波に設計波長の半波長相当の位相差を与える。半波長板１０３２は、ＴＭ偏波をＴＥ偏波に、ＴＥ偏波をＴＭ偏波に偏波変換する機能を有する。
【０１８６】
本実施例では、上部クラッドガラスに石英に対して三酸化ホウ素を２０ｍｏｌ％、五酸化リンを５ｍｏｌ％の割合で添加し、複屈折の値を０．７７５×１０-4とした。その結果、偏波に依存した光路長差は式（５２）より１．５５×１０-6となる。
【０１８７】
【数５２】
【０１８８】
この偏波に依存した光路長差は、使用波長を１．５５μｍとした時、次数は１となり、式（３５）かつ式（４４）をほぼ満たすことができる。
【０１８９】
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．０７ＧＨｚまで抑制することができた。
【０１９０】
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚまで抑制することができた。
【０１９１】
上記第一乃至第三の実施例を本実施例に適用して複屈折の値を調整することができることは言うまでもない。
【０１９２】
さらに、以上の実施例では、ＦＳＲが１０ＧＨｚのＭＺＩを用いた。その他、２０ＧＨｚ、４０ＧＨｚなど他のＦＳＲであっても同様な効果が期待できる事は明白である。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図２】従来技術の第一例のマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図３】透過スペクトルが偏波無依存となる条件を説明するための図である。
【図４】（ａ）は半波長板の動作波長が使用波長から４％だけずれた場合のＰＤｆと複屈折の関係を計算した結果を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大図である。
【図５】（ａ）は図４（ａ）に関して横軸を次数とした図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大図である。
【図６】本発明の実施形態の光信号処理器の導波路作製工程を説明するための図である。
【図７】本発明の第一の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図８】本発明の第二の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図９】本発明の第三の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図１０】本発明の第四の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【図１１】本発明の第四の実施例として作製したマッハツェンダ干渉計回路の概略図である。
【符号の説明】
【０１９４】
１００，２００，３００，７００，８００，９００，１０００ マッハツェンダ干渉計回路
１０６，１０８，２０６，２０８，３０６，３０８，７０６，７０８，８０６，８０８，９０６，９０８，１００６，１００８ アーム導波路
１２２，１２４，２２２，２２４，３２２，３２４，７２２，７２４，８２２，８２４，９２２，９２４，１０２２，１０２４ 結合器
２３２，７３２，８３２，９３２，１０３２ 半波長板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、
水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝に設けられており、
前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、２ｍ−０．２から２ｍ＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする光信号処理器。
【請求項２】
各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、
水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する二つの偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝にそれぞれ設けられており、
前記偏波回転器の一方で変換される光信号と、前記偏波回転器の他方で変換される光信号の位相がπずれており、
前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、（２ｍ−１）−０．２から（２ｍ−１）＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする光信号処理器。
【請求項３】
請求項１に記載の光信号処理器において、
前記偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であることを特徴とする光信号処理器。
【請求項４】
請求項２に記載の光信号処理器において、
前記二つの偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であって、前記偏波回転器の一方の光学主軸と前記偏波回転器の他方の光学主軸とが直行することを特徴とする光信号処理器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記結合器は、方向性結合器または多モード干渉型結合器であることを特徴とする光信号処理器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、導波路幅が部分的に変化する導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、部分的にレーザが照射された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、両脇の一部に応力開放溝が形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力付与膜が上面に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力を変化させるための薄膜ヒータが上部に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【請求項１】
各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、
水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝に設けられており、
前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、２ｍ−０．２から２ｍ＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする光信号処理器。
【請求項２】
各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、
水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する二つの偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝にそれぞれ設けられており、
前記偏波回転器の一方で変換される光信号と、前記偏波回転器の他方で変換される光信号の位相がπずれており、
前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、（２ｍ−１）−０．２から（２ｍ−１）＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする光信号処理器。
【請求項３】
請求項１に記載の光信号処理器において、
前記偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であることを特徴とする光信号処理器。
【請求項４】
請求項２に記載の光信号処理器において、
前記二つの偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であって、前記偏波回転器の一方の光学主軸と前記偏波回転器の他方の光学主軸とが直行することを特徴とする光信号処理器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記結合器は、方向性結合器または多モード干渉型結合器であることを特徴とする光信号処理器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、導波路幅が部分的に変化する導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、部分的にレーザが照射された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、両脇の一部に応力開放溝が形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【請求項９】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力付与膜が上面に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号処理器において、
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力を変化させるための薄膜ヒータが上部に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２８６４２６（Ｐ２００７−２８６４２６Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１４８０５（Ｐ２００６−１１４８０５）
【出願日】平成１８年４月１８日（２００６．４．１８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１８日（２００６．４．１８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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