導波路型可変光減衰器
【課題】従来の導波路型可変光減衰器は可変光減衰器の光減衰量を増やしたときに、光減衰器の偏波依存性が大きいという解決すべき点を有していた。
【解決手段】基板上に形成された導波路で構成される導波路型可変光減衰器において、前記可変光減衰器が、入力導波路、第１の光カプラ、第２の光カプラ、前記第１と第２の光カプラを結ぶ２本のアーム導波路、および出力導波路から構成されており、前記第１と第２の光カプラは前記２本のアーム導波路が近接する領域を含み構成される方向性結合器であって、特に、前記アーム導波路の長さを、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート長の整数倍に設計する。
【解決手段】基板上に形成された導波路で構成される導波路型可変光減衰器において、前記可変光減衰器が、入力導波路、第１の光カプラ、第２の光カプラ、前記第１と第２の光カプラを結ぶ２本のアーム導波路、および出力導波路から構成されており、前記第１と第２の光カプラは前記２本のアーム導波路が近接する領域を含み構成される方向性結合器であって、特に、前記アーム導波路の長さを、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート長の整数倍に設計する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の光導波路で構成された導波路型可変光減衰器に関する。更に詳しく
は、本発明は、その構成要素である光カプラにおける導波路複屈折を一定の値以上に設定
して偏波モード結合を抑制するか、もしくはアーム導波路の長さを複屈折ビート長の整数
倍に設定することにより、偏波依存性を抑制した偏波無依存導波路型可変光減衰器に関す
る。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信容量の拡大のために複数の光波長を用いた光波長多重通信システム（ＷＤＭ
システム）の開発が盛んである。光波長多重通信システムでは、非線形抑圧やクロストー
ク抑圧の観点から、各波長信号のレベルを等しくすることが求められる。現在、このレベ
ル等化のために導波路型可変光減衰器が広く用いられようとしている。導波路型可変光減
衰器は、アレイ化などの集積化が容易であるため、経済化や小型化の観点で、それ以外の
バルク型・磁気光学型・ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型可変光減衰器
よりも有利である。
【０００３】
図面を用いて導波路型可変光減衰器の説明を行う。図８に従来の代表的な導波路型可変
光減衰器の平面図を示す。この導波路型可変光減衰器１００は、入力導波路１０１ａ、１
０１ｂ、第１の光カプラ１０２、２本のアーム導波路１０３，１０４、それらアーム導波
路上に配置された位相制御器１０５、第２の光カプラ１０６、出力導波路１０７ａ、１０
７ｂ、および薄膜ヒータ１０８を有する。１１０は後述する応力解放溝である。
【０００４】
図９は、上記の応力解放溝１１０が形成されていない従来例を想定した場合の図８のIX
−IX切断線に沿う拡大断面図である。図９に示すように、導波路型可変光減衰器１００の
基板として熱伝導性に優れたシリコン基板１０９が使われ、埋め込まれた石英系導波路１
０３，１０４の表面に薄膜ヒータ１０８が配置された構成となっている。
【０００５】
その導波路型可変光減衰器１００の動作原理を以下に簡単に説明する。入力導波路１０
１ａから入射された光は、第１の光カプラ１０２で２分岐されて２本のアーム導波路１０
３，１０４に分かれる。そして、位相制御器１０５を具備したアーム導波路１０３，１０
４を伝搬した光は再度第２の光カプラ１０６で合波されることにより互いに干渉して、互
いの位相が一致している場合にはクロスポート出力導波路１０７ｂに、互いの位相がπず
れている場合にはスルーポート出力導波路１０７aに、そして、その中間の状態の場合に
は互いの位相差に応じて両方の出力導波路１０７ａ，１０７ｂからそれぞれ光が出力され
る。第２の光カプラ１０６に入射するときの２つの光の位相関係は、アーム導波路１０４
に設けた位相制御器１０５で制御される。位相制御器１０５として、石英系導波路１０３
，１０４上に配置された薄膜ヒータ１０８からなる熱光学位相制御器がよく用いられる。
熱光学効果は、原理的には偏波依存性のない現象であるため、電気光学効果や光弾性効果
に比べて、偏波依存性が少ないという特徴を有している。
【０００６】
上述のとおり、熱光学効果を用いた従来の導波路型可変光減衰器は、アレイ化など集積
化が容易であるため、電気光学効果や光弾性効果などの他技術を用いた可変光減衰器に比
べて、経済化・小型化の観点から有利である。
【０００７】
しかしながら、実際には、熱光学効果を用いた従来の導波路型可変光減衰器は、可変光
減衰器の減衰量を増やしたときに、偏波依存性（polarization dependent loss ：ＰＤＬ
）が大きくなるという問題点を有していた。図９の断面構造を有する可変光減衰器の光減
衰量とＰＤＬとの関係を図１０に示す。図１０に示すように、１５ｄＢの光減衰量におい
て４ｄＢ近くの大きなＰＤＬが発生している。光減衰時のＰＤＬが大きいということは、
光ファイバ中の偏波状態を規定しない現行の光通信システム運用上極めて大きな問題であ
り、これが導波路型可変光減衰器の普及を妨げている最大の原因であった。
【０００８】
このように、従来の導波路型可変光減衰器は可変光減衰器の光減衰量を増やしたときに
、光減衰器の偏波依存性が大きいという解決すべき点を有していた。
【０００９】
【非特許文献１】Y. Inoue et al.,"Polarization sensitivity of a silica waveguide thermo-optic phase shifter for planar lightwave circuits," IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.4,no.1,pp.36-38,Jan.1992.
【非特許文献２】KIM et al.,"Limitation of PMD Compensation Due to Polarization-Dependent Loss in High-Speed Optical Transmission Links," IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 14, NO. 1, JANUARY 2002.
【発明の開示】
【００１０】
本発明の目的は、導波路型可変光減衰器の偏波依存性の問題を解消することにより、偏
波依存性の小さな導波路型可変光減衰器を提供することである。
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様は、基板上に形成された導波路で構成さ
れる導波路型可変光減衰器において、前記可変光減衰器が、入力導波路、第１の光カプラ
、第２の光カプラ、前記第１と第２の光カプラを結ぶ２本のアーム導波路、および出力導
波路から構成されており、前記第１と第２の光カプラは前記２本のアーム導波路が近接す
る領域を含み構成される方向性結合器であって、特に、前記アーム導波路の長さが、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート長の整数倍に設計されていることを特徴とする。
【００１２】
また、好ましくは、前記２本のアーム導波路の少なくとも一方に位相制御器を具備して
おり、可変光減衰器もしくは光スイッチとして機能するとすることができる。
【００１３】
また、好ましくは、前記基板がシリコン基板であり、前記導波路が石英系ガラス導波路
であるとすることができる。
【００１４】
上記構成により、本発明によれば、光減衰時のＰＤＬ（偏波依存性）が小さな導波路型
可変光減衰器、光スイッチおよび、光フィルタを実現することが可能となる。この結果と
して、本発明によれば、小型で集積性に優れた導波路型可変光減衰器、光スイッチおよび
、光フィルタが実用的になり、そのため、本発明は、光波長多重通信システムの通信装置
等の経済化等に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の構成を示す平面図 である。
【図２】図２は本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の断面構造を拡大し て示す断面拡大図である。
【図３Ａ】図３Ａは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図４】図４は導波路複屈折と方向性結合器クロスポートにおける偏波モード結合量 の関係を示す特性図である。
【図５】図５は本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器における光減衰量と 偏波依存損失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【図６】図６は本発明の第２の実施形態の可変光減衰器における光減衰量と偏波依存 損失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【図７】図７は本発明の第３の実施形態の導波路型可変光減衰器における光減衰量と 偏波依存損失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【図８】図８は従来技術による導波路型可変光減衰器の構成を示す平面図である。
【図９】図９は従来技術による導波路型可変光減衰器の断面構造を拡大して示す断面 拡大図である。
【図１０】図１０は従来技術の導波路型可変光減衰器における光減衰量と偏波依存損 失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１は従来技術による応力解放溝付き導波路型可変光減衰器の断面構造 を拡大して示す断面拡大図である。
【図１２】図１２は従来技術の応力解放溝付き可変光減衰器における光減衰量と偏波 依存損失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（偏波依存性発生モデルと偏波依存性を抑圧するための必要条件）
具体的な本発明の実施形態を説明する前に、導波路型可変光減衰器の偏波依存性の原因
を解析した結果を述べる。
【００１７】
石英系ガラス中の熱光学効果が基本的に偏波依存性を有しない現象であることは従来技
術の項に述べた。では何故、導波路型可変光減衰器が偏波依存性を有するかを、図８と図
９を用いて以下に説明する。偏波依存性の主たる原因としては次の２つが考えられる。１
つは、熱光学位相制御器１０５の偏波依存性であり、もう１つは光カプラ１０２，１０６
における偏波モード結合である。
【００１８】
まず、前者の熱光学位相制御器１０５の偏波依存性についての報告が、非特許文献１に
なされている。その報告内容を簡単に説明すると、次の通りである。薄膜ヒータ１０８で
局所的に加熱された石英系導波路１０３，１０４は膨張しようとする。その場合、基板１
０９と垂直な方向（図９の上方向）へは膨張することができるが、基板１０９と平行方向
（図９の横方向）へは、周囲を加熱されない石英系ガラス（クラッド）１１１で囲まれて
いるため、膨張することができない。この結果として、基板１０９の表面と平行方向に強
い圧縮応力が発生する。この圧縮応力は、光弾性効果のために導波路（コア）１０３，１
０４の屈折率を増加させる。従って、薄膜ヒータ１０８の直下の導波路１０３，１０４は
、温度上昇に伴う熱光学効果とともに、局所的なガラスの熱膨張に起因する光弾性効果に
より屈折率が増加する。このため、熱光学効果自体には偏波依存性がないにかかわらず、
熱膨張で生じる応力に異方性があるため、光弾性効果による屈折率変化が偏波依存性を有
することとなる。
【００１９】
この光弾性効果による熱光学位相制御器の偏波依存性は、図１１に示すように、熱光学
位相制御器１０５（並びに薄膜ヒータ１０８）の両側に応力解放溝１１０を形成すること
で、ある程度抑制できる。図１１に示す応力解放溝１１０を形成した可変光減衰器の光減
衰量とＰＤＬとの関係を図１２に示す。図９の断面構造の可変光減衰器では１５ｄＢ減衰
時のＰＤＬが３．８ｄＢであったものが（図１０を参照）、図１１の応力解放溝付き可変
光減衰器では１．７ｄＢと、ＰＤＬが半分以下の値に低減できている。しかしながら、１
５ｄＢ減衰時のＰＤＬが１．７ｄＢという値は、現行の光通信システムの運用上充分な値
ではなく、更なるＰＤＬの抑圧が必要であった。本発明では、１５ｄＢ減衰時のＰＤＬが
、実際に現行の光通信システムの運用上必要な値と要求されている、０．５ｄＢ以下とな
ることを目標とした（非特許文献２）。
【００２０】
薄膜ヒータ１０８の両側に配置した図１１の応力解放溝１１０は、薄膜ヒータ１０８で
生じた熱が導波路以外の領域を加熱するのを抑制する断熱溝としての機能も有しているた
め、熱光学位相制御器の低消費電力化にも有効である。
【００２１】
次に、光カプラの偏波モード結合による偏波依存性について説明する。ここでは、光カ
プラとして、図８に示すような、２本の導波路を近接して構成される方向性結合器１０２
，１０６を想定する。一般に、平面基板上の導波路では、擾乱が無い限り、偏波モード間
の結合は生じない。しかし、方向性結合器部ではコアが近接するため、コアを上部クラッ
ド層で埋め込む時に、その２つのコアがお互いに近づく方向に力を受ける。更に具体的に
は説明する以下のとおりである。火炎堆積法を用いて上部クラッドを形成するときに、ガ
ラス微粒子をコアの上や周囲に堆積した後に行う透明化熱処理の過程で、ガラス微粒子が
溶けて収縮しながらコアを覆う。ところが、２つのコアに挟まれた領域ではガラス微粒子
の供給が不足するため、ガラスが粗になり、２つのコアは両外側から内側に押される。こ
の圧力が導波路の光学主軸を傾けるため、偏波モード間の結合が生じる。そのため、方向
性結合器で結合したクロスポート光の一部が偏波モード結合を起こす。一方、２つのコア
が離れるに従い、光学主軸は元通り上下左右に戻るため、スルーポート光は偏波モード結
合を生じない。このような現象は、方向性結合器の場合に限らず、２本のアーム導波路が
近接する場合には必ず起こる。つまり、多モード干渉カプラや非対称Ｘ型分岐器において
も入出力端では、２本のアーム導波路が近接するため、偏波モード結合が起こる。次に、
光カプラにおける偏波モード結合が存在する場合の光の伝搬を解析する。この場合を、以
下、図８を用いて説明する。第１の入力導波路（入力ポート）１０１ａから第１のアーム
導波路１０３を経て第１の出力導波路（出力ポート）１０７ａに伝搬する光は次式（１）
に、第１の入力導波路１０１ａから第２のアーム導波路１０４を経て第１の出力導波路１
０７ａに伝搬する光は次式（２）に、第１の入力導波路１０１ａから第１のアーム導波路
１０３を経て第２の出力導波路１０７ｂに伝搬する光は次式（３）に、第１の入力導波路
１０１ａから第２のアーム導波路１０４を経て第２の出力導波路１０７ｂに伝搬する光は
次式（４）に、それぞれ書き表される。
【００２２】
但し、次式行列の第１行はＴＥ成分を、第２行はＴＭ成分を示す。またＩＴＥ（ＴＭ）
：入力光のＴＥ（ＴＭ）成分、κ：光カプラの結合効率、α：光カプラにおける光学主軸
の傾き、θ１（２）ＴＥ（ＴＭ）：第１（２）のアーム導波路１０３，１０４におけるＴ
Ｅ（ＴＭ）成分の位相変化量と定義する。ここで、光カプラにおけるクロスポート偏波モ
ード結合量はｓｉｎ２αで表される。
【００２３】
【数１】
【００２４】
【数２】
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】
第１の入力導波路１０１ａから第１の出力導波路１０７ａへのスルーポート出力は、上
式（１）と上式（２）の和をとって、次式（５）となる。
【００２８】
【数５】
【００２９】
上式（５）において、見通しをよくするために光カプラの結合率として次式（６）を仮
定する。
【００３０】
【数６】
【００３１】
スルーポート出力が最も減衰する条件は、２本のアーム導波路長が等しいときであるか
ら、その条件は次式（７）で表される。
【００３２】
【数７】
【００３３】
上式（５）に上式（６）と上式（７）を代入したとき、偏光状態に依存せずに常に上式
（５）＝０が成り立つための条件を求める。これが偏波無依存条件となる。ここで偏光状
態に依存しないとはＩＴＥとＩＴＭの強度比および位相差に依存しないという意味である
。
【００３４】
【数８】
【００３５】
上式（８）から偏波無依存条件として次式（９）が導出される。但しｍは整数である。
【００３６】
【数９】
【００３７】
ここで、第１のアーム導波路１０３における、アーム導波路の長さをＬ、使用波長をλ、ＴＭ光の実効屈折率をｎ１ＴＭ、ＴＥ光の実効屈折率をｎ１ＴＥ、導波路複屈折をＢとおくと、θ１ＴＭ、θ１ＴＭおよびＢはそれぞれ次式（１０）、（１１）、（１２）のように定義される。
【００３８】
【数１０】
【００３９】
【数１１】
【００４０】
【数１２】
これら式（１０）、（１１）を上記式（９）の下段の式（以下、第２式と称する）に代
入し、式（１２）を適用すると、次式（１３）が得られる。
【００４１】
【数１３】
【００４２】
すなわち、上記式（９）、（１３）から、光カプラにおける偏波モード結合（ｓｉｎ
２α）が０になるか、もしくはアーム導波路の長さ（Ｌ）が使用光波長（λ)を導波路複
屈折（Ｂ）で割って求められるビート長の整数倍（ｍ）であればスルーポート出力の偏波
依存性は解消される。
【００４３】
同様に、第１の入力導波路１０１ａから第２の出力導波路１０７ｂへのクロスポート出
力は上式（３）と上式（４）の和をとって次式（１４）となる。
【００４４】
【数１４】
【００４５】
クロスポート出力が最も減衰する条件は、２本のアーム導波路長差が使用光波長の１／
２波長の場合である。この条件は次式（１５）で表される。
【００４６】
【数１５】
【００４７】
上式（１４）に上式（１５）を代入したとき、偏光状態に依存せずに常に上式（１４）
＝０が成り立つための条件を求める。これが偏波無依存条件となる。
【００４８】
【数１６】
【００４９】
上式（１６）から偏波無依存条件として次式（１７）が導出される。
【００５０】
【数１７】
【００５１】
上式（１７）と上式（９）は等しい。したがって、上式（１７）から上式（１３）も得
られる。すなわち、光カプラにおける偏波モード結合（ｓｉｎ ２α）が０になるか、も
しくはアーム導波路の長さ（Ｌ）が使用光波長（λ)を導波路複屈折（Ｂ）で割って求め
られるビート長の整数倍（ｍ）であればスルーポート出力およびクロスポート出力の偏波
依存性は解消される。
【００５２】
以上の考察により、導波路型可変光減衰器および光スイッチの偏波依存性を抑圧するた
めの必要条件が求められる。
【００５３】
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。
［第１の実施形態］
図１に、本発明の第１の実施形態である導波路型可変光源衰器の構成を示す。この導波
路型可変光減衰器１００は、入力導波路１０１ａ、第１の光カプラ１０２、２本のアーム
導波路１０３，１０４、それらアーム導波路上に配置された位相制御器１０５、第２の光
カプラ１０６、出力導波路１０７ｂ、薄膜ヒータ１０８、および応力解放溝１１０を有す
る。本実施形態では、入力導波路１０１ａに対してクロスポートに位置する導波路１０７
ｂを出力導波路として用いる。クロスポート出力を用いる理由は、第１および第２の光カ
プラ１０２，１０６として用いる方向性結合器を同一設計とした場合に、両者の結合率が
ほぼ等しくなり、その結果として、高い可変光減衰量が得られるためである。
【００５４】
図２に図１のII-II切断線に沿う拡大断面図を示す。基本的な回路構成は従来技術に述
べた図１１の構成と同じである。本実施形態と従来技術との相違点は、第１および第２の
光カプラを構成する方向性結合器１０２，１０６の導波路複屈折率の絶対値を３．５×１
０−４以上に設定していることである。ここで、導波路複屈折Ｂは、式（１２）で定義し
たように、ＴＭモードの実効屈折率ｎＴＭとＴＥモードの実効屈折率ｎＴＥとの差（Ｂ＝
ｎＴＭ−ｎＴＥ）である。
【００５５】
本実施形態の導波路作製工程を、図３Ａ〜３Ｅの工程図を用いて簡単に説明する。シリ
コン基板１０９上に、火炎堆積法（ＦＨＤ）でＳｉＯ２を主成分にした下部クラッドガラ
ス微粒子３０１、ＳｉＯ２にＧｅＯ２を添加したコアガラス微粒子３０２をそれぞれ堆積
する（図３Ａ参照）。この段階では、ガラス微粒子３０１と３０２は、光を散乱するため
、白い膜に見える。
【００５６】
その後、１，０００℃以上の高温でガラスの透明化を行なう。ガラス微粒子３０１と３
０２を表面に堆積したシリコン基板１０９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３０３の厚さが３０
μｍなるように、またコアガラス層３０４の厚さが７μｍなるように、ガラス微
粒子の堆積量をそれぞれ調整している（図３Ｂ参照）。
【００５７】
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３０４のパターン化を行なう。これにより、下部クラッドガラス層３０３上に
コア３０５が形成される（図３Ｃ参照）。
【００５８】
ＳｉＯ２上部クラッドガラス微粒子３０６を、火炎堆積法（ＦＨＤ）により、下部クラ
ッドガラス層３０３とコア３０５の上部に堆積する（図３Ｄ参照）。
【００５９】
最後に高温透明化を行ない、透明な上部クラッドガラス層３０７が形成された埋め込み
導波路を作製する（図３Ｅ参照）。上部クラッドガラス層３０７にはドーパントを添加す
ることでガラス転移温度を下げ、上部クラッドガラス層３０７の高温透明化の工程でコア
３０５が変形しないようにしている。なお、図３Ｅに示す上部クラッドガラス層（以下、
上部クラッド層と称する）３０７と下部クラッドガラス層（以下、下部クラッド層と称す
る）３０３が図２のクラッド１１１に対応し、コア３０５が図２の導波路（コア）１０３
，１０４に対応している。
【００６０】
導波路複屈折は、コア３０５の縦横比や、基板１０９、コアガラス３０５、クラッドガ
ラス３０３，３０７等の熱膨張係数、およびこれらのガラスの軟化温度に依存する。その
ため、これらの値を適宜選ぶことにより導波路複屈折を制御することができる。
【００６１】
導波路型可変光減衰器を作製するために、図３Ａ〜３Ｅで説明した工程に加えて、上部
クラッド層３０７の表面へ図１と図２に図示した薄膜ヒータ１０８および配線電極を形成
し、更に熱光学位相制御器１０５で発生する熱応力による偏波依存性を抑制するために図
１と図２に図示した応力解放溝１１０を形成する。
【００６２】
本発明の実施形態の具体例を説明する前に、先に論じた偏波依存性発生モデルを実証す
るために、まず方向性結合器部での偏波モード結合を評価した。また、その偏波モード結
合量が導波路複屈折に依存するのではないかという観点で、それら両者の相関関係を求め
た。方向性結合器部での偏波モード結合量と導波路複屈折の関係を図４に示す。ここで、
横軸は導波路複屈折を、縦軸は方向性結合器１段を透過した後のクロスポート出力におけ
る偏波モード結合量を示す。図４から、クロスポート出力における偏波モード結合量と導
波路複屈折との間に強い相関があることが分かる。この現象は、「モード結合量は結合を
起こす２モード（ここでは２つの偏波モード）間の伝搬定数差（導波路複屈折）に反比例
するため」であると解釈できる。また、図４において、同一の導波路複屈折に対して偏波
モード結合量がある程度ばらついているのは、偏波モード結合が様々な攪乱により変動す
るためと解釈できる。
【００６３】
光カプラ１０２，１０６における偏波モード結合量、すなわち｜ｓｉｎ２α｜を−２５
ｄＢ以下とすれば、上式（１６）の左辺の値は最大でも入力レベルに対して−２５ｄＢ以
下となる。言い換えれば、入力光の偏波に依存した光レベルは、入力レベルに対して−２
５ｄＢである。したがって、光減衰量１５ｄＢでのＰＤＬは次式（１８）で求められるＰ
ＤＬ以下に抑圧できる。
【００６４】
【数１８】
すなわち、光源推量１５ｄＢでのＰＤＬを０．５ｄＢ以下に抑圧できる。
【００６５】
図４によると、導波路複屈折の絶対値を３．５×１０−４以上に設定することで、偏波
モード結合量を−２５ｄＢ以下にすることができる。すなわち、光減衰量１５ｄＢでのＰ
ＤＬを０．５ｄＢ以下に抑圧できる。よって、本実施形態の特徴を、第１および第２の光
カプラ１０２，１０６の偏波モード結合量を−２５ｄＢ以下にすることであり、更には第
１および第２の光カプラを構成する方向性結合器の導波路複屈折率（絶対値）を３．５×
１０−４以上にすることができる。
【００６６】
図５に、本発明の第１の実施形態として、実際に作製した導波路型可変光減衰器の減衰
量とＰＤＬとの相関関係を示す。本実施形態では、後述の第３の実施形態との比較のため
に、敢えてアーム導波路長をビート長の整数倍の条件から最も離れている約２．５倍の１
１ｍｍとした。
【００６７】
実際に作製した導波路の複屈折は、別途セナルモン（Senarmont）測定系で求めたとこ
ろ３．５×１０−４であった。このとき、図５に示すように、１５ｄＢ減衰時のＰＤＬは
０．４ｄＢとなり、当初目標とした０．５ｄＢ以下を実現した。
【００６８】
本実施形態では、図１と図２に図示され多デバイスを導波路型可変光減衰器として説明
を行っているが、第２の光カプラ１０６に入射するときの２つの光の位相差を０もしくは
πの２値で使用することにより、図１と図２に示すデバイスは光スイッチとしても利用で
きる。これと同様に、以下に述べる本発明の他の実施形態も光スイッチとしても利用でき
る。
【００６９】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態は、上述の本発明の第１の実施形態と同じく、入力導波路に対
して、クロスポート出力を出力導波路として用いる可変光減衰器であり、その基本構成は
図１および図２と同じである。第１の実施形態と第２の実施形態の相違点は、第１の実施
形態の特徴が、「第１および第２の光カプラを構成する方向性結合器の導波路複屈折率の
絶対値を３．５×１０−４以上に設定したこと」であったのに対して、第２の実施形態の
特徴は、「アーム導波路の長さを、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート
長の整数倍に設定していること」である。
【００７０】
第２の実施形態では、上式（１７）の第２式の偏波依存条件に相当する。
【００７１】
本実施形態で作製した導波路の複屈折は、１．２×１０−４であった。この場合、導波
路複屈折で使用光波長１．５５μｍ偏波が一回転するビート長は１２．９ｍｍと計算さ
れる。そこで、本実施形態では、アーム導波路１０４の長さをビート長に相当する１２．
９ｍｍと設計した。
【００７２】
図６に、上記設計条件を適用して実際に作製した本実施形態の導波路型可変光減衰器の
減衰量とＰＤＬとの相関関係を示す。図６から、１５ｄＢ減衰時のＰＤＬが０．９ｄＢと
、従来例に比較すると小さな値に抑制できたことが分かる。
【００７３】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態も、上述の本発明の第１と第２の実施形態と同じく、入力導波
路１０１ａに対して、クロスポート出力１０７ａを出力導波路として用いる可変光減衰器
である。その基本構成は図１および図２と同じである。第３の実施形態の特徴は、第１の
実施形態の特徴である「第１および第２の光カプラを構成する方向性結合器の導波路複屈
折率（絶対値）を３．５×１０−４以上に設定したこと」と第２の実施形態の特徴である
「アーム導波路の長さを、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート長の整数
倍に設定していること」の両方を兼ね備えていることである。
【００７４】
実際に作製した導波路の複屈折は、３．５×１０−４であった。アーム導波路の長さは
ビート長の３倍である１３．３ｍｍに設定した。
【００７５】
図７に、実際に作製した第３の実施形態の導波路型可変光減衰器の減衰量とＰＤＬとの
相関関係を示す。１５ｄＢ減衰時のＰＤＬは０．２ｄＢ、更に２５ｄＢ減衰時でもＰＤＬ
は０．６ｄＢと極めて小さい値に抑制できていることが分かる。このように、「第１およ
び第２の光カプラを構成する方向性結合器の導波路複屈折率（絶対値）を３．５×１０−
４以上に設定すること」と「アーム導波路の長さを、使用光波長を導波路複屈折で割って
求められるビート長の整数倍に設定すること」は独立に設計できることなので、好ましく
は両者を同時に満足するよう可変光減衰器を作製することが好ましい。
【００７６】
［その他の実施形態］
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例
示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等
の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形
態に含まれる。
【００７７】
例えば、上述の本発明の各実施形態では、作製法として火炎堆積法を想定しているが、
埋め込み導波路の作製法としては火炎堆積法以外にもＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposit
ion）、ＶＰＥ法（Vapor Phase Epitaxy）などの気相成長法や、スパッタ法などの物理堆
積法もあり、それら作製法を適用した場合においても本発明は有効である。
【００７８】
また、上述の本発明の各実施形態では、光カプラとして方向性結合器を想定しているが
、多モード干渉型（Multi-Mode Interference）合分波器、非対称Ｘ型分岐器などにおい
てもコアが近接する領域において、偏波モード結合が発生し、本発明を構成する光カプラ
として有効である。つまり、光合分波器において偏波モード結合を生じる光カプラに対し
てはその形状に依存せずに有効である。
【００７９】
また、上述の本発明の各実施形態では、シリコン基板上に形成した石英系ガラス導波路
を用いた光干渉計を示したが、その導波路材料がガラス以外の例えばポリイミド、シリコ
ーン（silicone）、半導体、ＬｉＮｂＯ３などであっても本発明の上記の原理は適用可能
である。また、基板の材質もシリコンに限定されるものではない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の光導波路で構成された導波路型可変光減衰器に関する。更に詳しく
は、本発明は、その構成要素である光カプラにおける導波路複屈折を一定の値以上に設定
して偏波モード結合を抑制するか、もしくはアーム導波路の長さを複屈折ビート長の整数
倍に設定することにより、偏波依存性を抑制した偏波無依存導波路型可変光減衰器に関す
る。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信容量の拡大のために複数の光波長を用いた光波長多重通信システム（ＷＤＭ
システム）の開発が盛んである。光波長多重通信システムでは、非線形抑圧やクロストー
ク抑圧の観点から、各波長信号のレベルを等しくすることが求められる。現在、このレベ
ル等化のために導波路型可変光減衰器が広く用いられようとしている。導波路型可変光減
衰器は、アレイ化などの集積化が容易であるため、経済化や小型化の観点で、それ以外の
バルク型・磁気光学型・ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型可変光減衰器
よりも有利である。
【０００３】
図面を用いて導波路型可変光減衰器の説明を行う。図８に従来の代表的な導波路型可変
光減衰器の平面図を示す。この導波路型可変光減衰器１００は、入力導波路１０１ａ、１
０１ｂ、第１の光カプラ１０２、２本のアーム導波路１０３，１０４、それらアーム導波
路上に配置された位相制御器１０５、第２の光カプラ１０６、出力導波路１０７ａ、１０
７ｂ、および薄膜ヒータ１０８を有する。１１０は後述する応力解放溝である。
【０００４】
図９は、上記の応力解放溝１１０が形成されていない従来例を想定した場合の図８のIX
−IX切断線に沿う拡大断面図である。図９に示すように、導波路型可変光減衰器１００の
基板として熱伝導性に優れたシリコン基板１０９が使われ、埋め込まれた石英系導波路１
０３，１０４の表面に薄膜ヒータ１０８が配置された構成となっている。
【０００５】
その導波路型可変光減衰器１００の動作原理を以下に簡単に説明する。入力導波路１０
１ａから入射された光は、第１の光カプラ１０２で２分岐されて２本のアーム導波路１０
３，１０４に分かれる。そして、位相制御器１０５を具備したアーム導波路１０３，１０
４を伝搬した光は再度第２の光カプラ１０６で合波されることにより互いに干渉して、互
いの位相が一致している場合にはクロスポート出力導波路１０７ｂに、互いの位相がπず
れている場合にはスルーポート出力導波路１０７aに、そして、その中間の状態の場合に
は互いの位相差に応じて両方の出力導波路１０７ａ，１０７ｂからそれぞれ光が出力され
る。第２の光カプラ１０６に入射するときの２つの光の位相関係は、アーム導波路１０４
に設けた位相制御器１０５で制御される。位相制御器１０５として、石英系導波路１０３
，１０４上に配置された薄膜ヒータ１０８からなる熱光学位相制御器がよく用いられる。
熱光学効果は、原理的には偏波依存性のない現象であるため、電気光学効果や光弾性効果
に比べて、偏波依存性が少ないという特徴を有している。
【０００６】
上述のとおり、熱光学効果を用いた従来の導波路型可変光減衰器は、アレイ化など集積
化が容易であるため、電気光学効果や光弾性効果などの他技術を用いた可変光減衰器に比
べて、経済化・小型化の観点から有利である。
【０００７】
しかしながら、実際には、熱光学効果を用いた従来の導波路型可変光減衰器は、可変光
減衰器の減衰量を増やしたときに、偏波依存性（polarization dependent loss ：ＰＤＬ
）が大きくなるという問題点を有していた。図９の断面構造を有する可変光減衰器の光減
衰量とＰＤＬとの関係を図１０に示す。図１０に示すように、１５ｄＢの光減衰量におい
て４ｄＢ近くの大きなＰＤＬが発生している。光減衰時のＰＤＬが大きいということは、
光ファイバ中の偏波状態を規定しない現行の光通信システム運用上極めて大きな問題であ
り、これが導波路型可変光減衰器の普及を妨げている最大の原因であった。
【０００８】
このように、従来の導波路型可変光減衰器は可変光減衰器の光減衰量を増やしたときに
、光減衰器の偏波依存性が大きいという解決すべき点を有していた。
【０００９】
【非特許文献１】Y. Inoue et al.,"Polarization sensitivity of a silica waveguide thermo-optic phase shifter for planar lightwave circuits," IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.4,no.1,pp.36-38,Jan.1992.
【非特許文献２】KIM et al.,"Limitation of PMD Compensation Due to Polarization-Dependent Loss in High-Speed Optical Transmission Links," IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 14, NO. 1, JANUARY 2002.
【発明の開示】
【００１０】
本発明の目的は、導波路型可変光減衰器の偏波依存性の問題を解消することにより、偏
波依存性の小さな導波路型可変光減衰器を提供することである。
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様は、基板上に形成された導波路で構成さ
れる導波路型可変光減衰器において、前記可変光減衰器が、入力導波路、第１の光カプラ
、第２の光カプラ、前記第１と第２の光カプラを結ぶ２本のアーム導波路、および出力導
波路から構成されており、前記第１と第２の光カプラは前記２本のアーム導波路が近接す
る領域を含み構成される方向性結合器であって、特に、前記アーム導波路の長さが、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート長の整数倍に設計されていることを特徴とする。
【００１２】
また、好ましくは、前記２本のアーム導波路の少なくとも一方に位相制御器を具備して
おり、可変光減衰器もしくは光スイッチとして機能するとすることができる。
【００１３】
また、好ましくは、前記基板がシリコン基板であり、前記導波路が石英系ガラス導波路
であるとすることができる。
【００１４】
上記構成により、本発明によれば、光減衰時のＰＤＬ（偏波依存性）が小さな導波路型
可変光減衰器、光スイッチおよび、光フィルタを実現することが可能となる。この結果と
して、本発明によれば、小型で集積性に優れた導波路型可変光減衰器、光スイッチおよび
、光フィルタが実用的になり、そのため、本発明は、光波長多重通信システムの通信装置
等の経済化等に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の構成を示す平面図 である。
【図２】図２は本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の断面構造を拡大し て示す断面拡大図である。
【図３Ａ】図３Ａは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器の導波路作製工 程を示す工程図である。
【図４】図４は導波路複屈折と方向性結合器クロスポートにおける偏波モード結合量 の関係を示す特性図である。
【図５】図５は本発明の第１の実施形態の導波路型可変光減衰器における光減衰量と 偏波依存損失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【図６】図６は本発明の第２の実施形態の可変光減衰器における光減衰量と偏波依存 損失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【図７】図７は本発明の第３の実施形態の導波路型可変光減衰器における光減衰量と 偏波依存損失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【図８】図８は従来技術による導波路型可変光減衰器の構成を示す平面図である。
【図９】図９は従来技術による導波路型可変光減衰器の断面構造を拡大して示す断面 拡大図である。
【図１０】図１０は従来技術の導波路型可変光減衰器における光減衰量と偏波依存損 失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【図１１】図１１は従来技術による応力解放溝付き導波路型可変光減衰器の断面構造 を拡大して示す断面拡大図である。
【図１２】図１２は従来技術の応力解放溝付き可変光減衰器における光減衰量と偏波 依存損失（ＰＤＬ）との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（偏波依存性発生モデルと偏波依存性を抑圧するための必要条件）
具体的な本発明の実施形態を説明する前に、導波路型可変光減衰器の偏波依存性の原因
を解析した結果を述べる。
【００１７】
石英系ガラス中の熱光学効果が基本的に偏波依存性を有しない現象であることは従来技
術の項に述べた。では何故、導波路型可変光減衰器が偏波依存性を有するかを、図８と図
９を用いて以下に説明する。偏波依存性の主たる原因としては次の２つが考えられる。１
つは、熱光学位相制御器１０５の偏波依存性であり、もう１つは光カプラ１０２，１０６
における偏波モード結合である。
【００１８】
まず、前者の熱光学位相制御器１０５の偏波依存性についての報告が、非特許文献１に
なされている。その報告内容を簡単に説明すると、次の通りである。薄膜ヒータ１０８で
局所的に加熱された石英系導波路１０３，１０４は膨張しようとする。その場合、基板１
０９と垂直な方向（図９の上方向）へは膨張することができるが、基板１０９と平行方向
（図９の横方向）へは、周囲を加熱されない石英系ガラス（クラッド）１１１で囲まれて
いるため、膨張することができない。この結果として、基板１０９の表面と平行方向に強
い圧縮応力が発生する。この圧縮応力は、光弾性効果のために導波路（コア）１０３，１
０４の屈折率を増加させる。従って、薄膜ヒータ１０８の直下の導波路１０３，１０４は
、温度上昇に伴う熱光学効果とともに、局所的なガラスの熱膨張に起因する光弾性効果に
より屈折率が増加する。このため、熱光学効果自体には偏波依存性がないにかかわらず、
熱膨張で生じる応力に異方性があるため、光弾性効果による屈折率変化が偏波依存性を有
することとなる。
【００１９】
この光弾性効果による熱光学位相制御器の偏波依存性は、図１１に示すように、熱光学
位相制御器１０５（並びに薄膜ヒータ１０８）の両側に応力解放溝１１０を形成すること
で、ある程度抑制できる。図１１に示す応力解放溝１１０を形成した可変光減衰器の光減
衰量とＰＤＬとの関係を図１２に示す。図９の断面構造の可変光減衰器では１５ｄＢ減衰
時のＰＤＬが３．８ｄＢであったものが（図１０を参照）、図１１の応力解放溝付き可変
光減衰器では１．７ｄＢと、ＰＤＬが半分以下の値に低減できている。しかしながら、１
５ｄＢ減衰時のＰＤＬが１．７ｄＢという値は、現行の光通信システムの運用上充分な値
ではなく、更なるＰＤＬの抑圧が必要であった。本発明では、１５ｄＢ減衰時のＰＤＬが
、実際に現行の光通信システムの運用上必要な値と要求されている、０．５ｄＢ以下とな
ることを目標とした（非特許文献２）。
【００２０】
薄膜ヒータ１０８の両側に配置した図１１の応力解放溝１１０は、薄膜ヒータ１０８で
生じた熱が導波路以外の領域を加熱するのを抑制する断熱溝としての機能も有しているた
め、熱光学位相制御器の低消費電力化にも有効である。
【００２１】
次に、光カプラの偏波モード結合による偏波依存性について説明する。ここでは、光カ
プラとして、図８に示すような、２本の導波路を近接して構成される方向性結合器１０２
，１０６を想定する。一般に、平面基板上の導波路では、擾乱が無い限り、偏波モード間
の結合は生じない。しかし、方向性結合器部ではコアが近接するため、コアを上部クラッ
ド層で埋め込む時に、その２つのコアがお互いに近づく方向に力を受ける。更に具体的に
は説明する以下のとおりである。火炎堆積法を用いて上部クラッドを形成するときに、ガ
ラス微粒子をコアの上や周囲に堆積した後に行う透明化熱処理の過程で、ガラス微粒子が
溶けて収縮しながらコアを覆う。ところが、２つのコアに挟まれた領域ではガラス微粒子
の供給が不足するため、ガラスが粗になり、２つのコアは両外側から内側に押される。こ
の圧力が導波路の光学主軸を傾けるため、偏波モード間の結合が生じる。そのため、方向
性結合器で結合したクロスポート光の一部が偏波モード結合を起こす。一方、２つのコア
が離れるに従い、光学主軸は元通り上下左右に戻るため、スルーポート光は偏波モード結
合を生じない。このような現象は、方向性結合器の場合に限らず、２本のアーム導波路が
近接する場合には必ず起こる。つまり、多モード干渉カプラや非対称Ｘ型分岐器において
も入出力端では、２本のアーム導波路が近接するため、偏波モード結合が起こる。次に、
光カプラにおける偏波モード結合が存在する場合の光の伝搬を解析する。この場合を、以
下、図８を用いて説明する。第１の入力導波路（入力ポート）１０１ａから第１のアーム
導波路１０３を経て第１の出力導波路（出力ポート）１０７ａに伝搬する光は次式（１）
に、第１の入力導波路１０１ａから第２のアーム導波路１０４を経て第１の出力導波路１
０７ａに伝搬する光は次式（２）に、第１の入力導波路１０１ａから第１のアーム導波路
１０３を経て第２の出力導波路１０７ｂに伝搬する光は次式（３）に、第１の入力導波路
１０１ａから第２のアーム導波路１０４を経て第２の出力導波路１０７ｂに伝搬する光は
次式（４）に、それぞれ書き表される。
【００２２】
但し、次式行列の第１行はＴＥ成分を、第２行はＴＭ成分を示す。またＩＴＥ（ＴＭ）
：入力光のＴＥ（ＴＭ）成分、κ：光カプラの結合効率、α：光カプラにおける光学主軸
の傾き、θ１（２）ＴＥ（ＴＭ）：第１（２）のアーム導波路１０３，１０４におけるＴ
Ｅ（ＴＭ）成分の位相変化量と定義する。ここで、光カプラにおけるクロスポート偏波モ
ード結合量はｓｉｎ２αで表される。
【００２３】
【数１】
【００２４】
【数２】
【００２５】
【数３】
【００２６】
【数４】
【００２７】
第１の入力導波路１０１ａから第１の出力導波路１０７ａへのスルーポート出力は、上
式（１）と上式（２）の和をとって、次式（５）となる。
【００２８】
【数５】
【００２９】
上式（５）において、見通しをよくするために光カプラの結合率として次式（６）を仮
定する。
【００３０】
【数６】
【００３１】
スルーポート出力が最も減衰する条件は、２本のアーム導波路長が等しいときであるか
ら、その条件は次式（７）で表される。
【００３２】
【数７】
【００３３】
上式（５）に上式（６）と上式（７）を代入したとき、偏光状態に依存せずに常に上式
（５）＝０が成り立つための条件を求める。これが偏波無依存条件となる。ここで偏光状
態に依存しないとはＩＴＥとＩＴＭの強度比および位相差に依存しないという意味である
。
【００３４】
【数８】
【００３５】
上式（８）から偏波無依存条件として次式（９）が導出される。但しｍは整数である。
【００３６】
【数９】
【００３７】
ここで、第１のアーム導波路１０３における、アーム導波路の長さをＬ、使用波長をλ、ＴＭ光の実効屈折率をｎ１ＴＭ、ＴＥ光の実効屈折率をｎ１ＴＥ、導波路複屈折をＢとおくと、θ１ＴＭ、θ１ＴＭおよびＢはそれぞれ次式（１０）、（１１）、（１２）のように定義される。
【００３８】
【数１０】
【００３９】
【数１１】
【００４０】
【数１２】
これら式（１０）、（１１）を上記式（９）の下段の式（以下、第２式と称する）に代
入し、式（１２）を適用すると、次式（１３）が得られる。
【００４１】
【数１３】
【００４２】
すなわち、上記式（９）、（１３）から、光カプラにおける偏波モード結合（ｓｉｎ
２α）が０になるか、もしくはアーム導波路の長さ（Ｌ）が使用光波長（λ)を導波路複
屈折（Ｂ）で割って求められるビート長の整数倍（ｍ）であればスルーポート出力の偏波
依存性は解消される。
【００４３】
同様に、第１の入力導波路１０１ａから第２の出力導波路１０７ｂへのクロスポート出
力は上式（３）と上式（４）の和をとって次式（１４）となる。
【００４４】
【数１４】
【００４５】
クロスポート出力が最も減衰する条件は、２本のアーム導波路長差が使用光波長の１／
２波長の場合である。この条件は次式（１５）で表される。
【００４６】
【数１５】
【００４７】
上式（１４）に上式（１５）を代入したとき、偏光状態に依存せずに常に上式（１４）
＝０が成り立つための条件を求める。これが偏波無依存条件となる。
【００４８】
【数１６】
【００４９】
上式（１６）から偏波無依存条件として次式（１７）が導出される。
【００５０】
【数１７】
【００５１】
上式（１７）と上式（９）は等しい。したがって、上式（１７）から上式（１３）も得
られる。すなわち、光カプラにおける偏波モード結合（ｓｉｎ ２α）が０になるか、も
しくはアーム導波路の長さ（Ｌ）が使用光波長（λ)を導波路複屈折（Ｂ）で割って求め
られるビート長の整数倍（ｍ）であればスルーポート出力およびクロスポート出力の偏波
依存性は解消される。
【００５２】
以上の考察により、導波路型可変光減衰器および光スイッチの偏波依存性を抑圧するた
めの必要条件が求められる。
【００５３】
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。
［第１の実施形態］
図１に、本発明の第１の実施形態である導波路型可変光源衰器の構成を示す。この導波
路型可変光減衰器１００は、入力導波路１０１ａ、第１の光カプラ１０２、２本のアーム
導波路１０３，１０４、それらアーム導波路上に配置された位相制御器１０５、第２の光
カプラ１０６、出力導波路１０７ｂ、薄膜ヒータ１０８、および応力解放溝１１０を有す
る。本実施形態では、入力導波路１０１ａに対してクロスポートに位置する導波路１０７
ｂを出力導波路として用いる。クロスポート出力を用いる理由は、第１および第２の光カ
プラ１０２，１０６として用いる方向性結合器を同一設計とした場合に、両者の結合率が
ほぼ等しくなり、その結果として、高い可変光減衰量が得られるためである。
【００５４】
図２に図１のII-II切断線に沿う拡大断面図を示す。基本的な回路構成は従来技術に述
べた図１１の構成と同じである。本実施形態と従来技術との相違点は、第１および第２の
光カプラを構成する方向性結合器１０２，１０６の導波路複屈折率の絶対値を３．５×１
０−４以上に設定していることである。ここで、導波路複屈折Ｂは、式（１２）で定義し
たように、ＴＭモードの実効屈折率ｎＴＭとＴＥモードの実効屈折率ｎＴＥとの差（Ｂ＝
ｎＴＭ−ｎＴＥ）である。
【００５５】
本実施形態の導波路作製工程を、図３Ａ〜３Ｅの工程図を用いて簡単に説明する。シリ
コン基板１０９上に、火炎堆積法（ＦＨＤ）でＳｉＯ２を主成分にした下部クラッドガラ
ス微粒子３０１、ＳｉＯ２にＧｅＯ２を添加したコアガラス微粒子３０２をそれぞれ堆積
する（図３Ａ参照）。この段階では、ガラス微粒子３０１と３０２は、光を散乱するため
、白い膜に見える。
【００５６】
その後、１，０００℃以上の高温でガラスの透明化を行なう。ガラス微粒子３０１と３
０２を表面に堆積したシリコン基板１０９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３０３の厚さが３０
μｍなるように、またコアガラス層３０４の厚さが７μｍなるように、ガラス微
粒子の堆積量をそれぞれ調整している（図３Ｂ参照）。
【００５７】
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３０４のパターン化を行なう。これにより、下部クラッドガラス層３０３上に
コア３０５が形成される（図３Ｃ参照）。
【００５８】
ＳｉＯ２上部クラッドガラス微粒子３０６を、火炎堆積法（ＦＨＤ）により、下部クラ
ッドガラス層３０３とコア３０５の上部に堆積する（図３Ｄ参照）。
【００５９】
最後に高温透明化を行ない、透明な上部クラッドガラス層３０７が形成された埋め込み
導波路を作製する（図３Ｅ参照）。上部クラッドガラス層３０７にはドーパントを添加す
ることでガラス転移温度を下げ、上部クラッドガラス層３０７の高温透明化の工程でコア
３０５が変形しないようにしている。なお、図３Ｅに示す上部クラッドガラス層（以下、
上部クラッド層と称する）３０７と下部クラッドガラス層（以下、下部クラッド層と称す
る）３０３が図２のクラッド１１１に対応し、コア３０５が図２の導波路（コア）１０３
，１０４に対応している。
【００６０】
導波路複屈折は、コア３０５の縦横比や、基板１０９、コアガラス３０５、クラッドガ
ラス３０３，３０７等の熱膨張係数、およびこれらのガラスの軟化温度に依存する。その
ため、これらの値を適宜選ぶことにより導波路複屈折を制御することができる。
【００６１】
導波路型可変光減衰器を作製するために、図３Ａ〜３Ｅで説明した工程に加えて、上部
クラッド層３０７の表面へ図１と図２に図示した薄膜ヒータ１０８および配線電極を形成
し、更に熱光学位相制御器１０５で発生する熱応力による偏波依存性を抑制するために図
１と図２に図示した応力解放溝１１０を形成する。
【００６２】
本発明の実施形態の具体例を説明する前に、先に論じた偏波依存性発生モデルを実証す
るために、まず方向性結合器部での偏波モード結合を評価した。また、その偏波モード結
合量が導波路複屈折に依存するのではないかという観点で、それら両者の相関関係を求め
た。方向性結合器部での偏波モード結合量と導波路複屈折の関係を図４に示す。ここで、
横軸は導波路複屈折を、縦軸は方向性結合器１段を透過した後のクロスポート出力におけ
る偏波モード結合量を示す。図４から、クロスポート出力における偏波モード結合量と導
波路複屈折との間に強い相関があることが分かる。この現象は、「モード結合量は結合を
起こす２モード（ここでは２つの偏波モード）間の伝搬定数差（導波路複屈折）に反比例
するため」であると解釈できる。また、図４において、同一の導波路複屈折に対して偏波
モード結合量がある程度ばらついているのは、偏波モード結合が様々な攪乱により変動す
るためと解釈できる。
【００６３】
光カプラ１０２，１０６における偏波モード結合量、すなわち｜ｓｉｎ２α｜を−２５
ｄＢ以下とすれば、上式（１６）の左辺の値は最大でも入力レベルに対して−２５ｄＢ以
下となる。言い換えれば、入力光の偏波に依存した光レベルは、入力レベルに対して−２
５ｄＢである。したがって、光減衰量１５ｄＢでのＰＤＬは次式（１８）で求められるＰ
ＤＬ以下に抑圧できる。
【００６４】
【数１８】
すなわち、光源推量１５ｄＢでのＰＤＬを０．５ｄＢ以下に抑圧できる。
【００６５】
図４によると、導波路複屈折の絶対値を３．５×１０−４以上に設定することで、偏波
モード結合量を−２５ｄＢ以下にすることができる。すなわち、光減衰量１５ｄＢでのＰ
ＤＬを０．５ｄＢ以下に抑圧できる。よって、本実施形態の特徴を、第１および第２の光
カプラ１０２，１０６の偏波モード結合量を−２５ｄＢ以下にすることであり、更には第
１および第２の光カプラを構成する方向性結合器の導波路複屈折率（絶対値）を３．５×
１０−４以上にすることができる。
【００６６】
図５に、本発明の第１の実施形態として、実際に作製した導波路型可変光減衰器の減衰
量とＰＤＬとの相関関係を示す。本実施形態では、後述の第３の実施形態との比較のため
に、敢えてアーム導波路長をビート長の整数倍の条件から最も離れている約２．５倍の１
１ｍｍとした。
【００６７】
実際に作製した導波路の複屈折は、別途セナルモン（Senarmont）測定系で求めたとこ
ろ３．５×１０−４であった。このとき、図５に示すように、１５ｄＢ減衰時のＰＤＬは
０．４ｄＢとなり、当初目標とした０．５ｄＢ以下を実現した。
【００６８】
本実施形態では、図１と図２に図示され多デバイスを導波路型可変光減衰器として説明
を行っているが、第２の光カプラ１０６に入射するときの２つの光の位相差を０もしくは
πの２値で使用することにより、図１と図２に示すデバイスは光スイッチとしても利用で
きる。これと同様に、以下に述べる本発明の他の実施形態も光スイッチとしても利用でき
る。
【００６９】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態は、上述の本発明の第１の実施形態と同じく、入力導波路に対
して、クロスポート出力を出力導波路として用いる可変光減衰器であり、その基本構成は
図１および図２と同じである。第１の実施形態と第２の実施形態の相違点は、第１の実施
形態の特徴が、「第１および第２の光カプラを構成する方向性結合器の導波路複屈折率の
絶対値を３．５×１０−４以上に設定したこと」であったのに対して、第２の実施形態の
特徴は、「アーム導波路の長さを、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート
長の整数倍に設定していること」である。
【００７０】
第２の実施形態では、上式（１７）の第２式の偏波依存条件に相当する。
【００７１】
本実施形態で作製した導波路の複屈折は、１．２×１０−４であった。この場合、導波
路複屈折で使用光波長１．５５μｍ偏波が一回転するビート長は１２．９ｍｍと計算さ
れる。そこで、本実施形態では、アーム導波路１０４の長さをビート長に相当する１２．
９ｍｍと設計した。
【００７２】
図６に、上記設計条件を適用して実際に作製した本実施形態の導波路型可変光減衰器の
減衰量とＰＤＬとの相関関係を示す。図６から、１５ｄＢ減衰時のＰＤＬが０．９ｄＢと
、従来例に比較すると小さな値に抑制できたことが分かる。
【００７３】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態も、上述の本発明の第１と第２の実施形態と同じく、入力導波
路１０１ａに対して、クロスポート出力１０７ａを出力導波路として用いる可変光減衰器
である。その基本構成は図１および図２と同じである。第３の実施形態の特徴は、第１の
実施形態の特徴である「第１および第２の光カプラを構成する方向性結合器の導波路複屈
折率（絶対値）を３．５×１０−４以上に設定したこと」と第２の実施形態の特徴である
「アーム導波路の長さを、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート長の整数
倍に設定していること」の両方を兼ね備えていることである。
【００７４】
実際に作製した導波路の複屈折は、３．５×１０−４であった。アーム導波路の長さは
ビート長の３倍である１３．３ｍｍに設定した。
【００７５】
図７に、実際に作製した第３の実施形態の導波路型可変光減衰器の減衰量とＰＤＬとの
相関関係を示す。１５ｄＢ減衰時のＰＤＬは０．２ｄＢ、更に２５ｄＢ減衰時でもＰＤＬ
は０．６ｄＢと極めて小さい値に抑制できていることが分かる。このように、「第１およ
び第２の光カプラを構成する方向性結合器の導波路複屈折率（絶対値）を３．５×１０−
４以上に設定すること」と「アーム導波路の長さを、使用光波長を導波路複屈折で割って
求められるビート長の整数倍に設定すること」は独立に設計できることなので、好ましく
は両者を同時に満足するよう可変光減衰器を作製することが好ましい。
【００７６】
［その他の実施形態］
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例
示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等
の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形
態に含まれる。
【００７７】
例えば、上述の本発明の各実施形態では、作製法として火炎堆積法を想定しているが、
埋め込み導波路の作製法としては火炎堆積法以外にもＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposit
ion）、ＶＰＥ法（Vapor Phase Epitaxy）などの気相成長法や、スパッタ法などの物理堆
積法もあり、それら作製法を適用した場合においても本発明は有効である。
【００７８】
また、上述の本発明の各実施形態では、光カプラとして方向性結合器を想定しているが
、多モード干渉型（Multi-Mode Interference）合分波器、非対称Ｘ型分岐器などにおい
てもコアが近接する領域において、偏波モード結合が発生し、本発明を構成する光カプラ
として有効である。つまり、光合分波器において偏波モード結合を生じる光カプラに対し
てはその形状に依存せずに有効である。
【００７９】
また、上述の本発明の各実施形態では、シリコン基板上に形成した石英系ガラス導波路
を用いた光干渉計を示したが、その導波路材料がガラス以外の例えばポリイミド、シリコ
ーン（silicone）、半導体、ＬｉＮｂＯ３などであっても本発明の上記の原理は適用可能
である。また、基板の材質もシリコンに限定されるものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された導波路で構成される導波路型可変光減衰器において、
前記可変光減衰器が、入力導波路、第１の光カプラ、第２の光カプラ、前記第１と第２の光カプラを結ぶ２本のアーム導波路、および出力導波路から構成されており、前記第１と第２の光カプラはそれぞれ前記２本のアーム導波路が近接する領域を含み構成される方向性結合器であって、特に、
前記アーム導波路の長さが、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート長の整数倍に設計されていることを特徴とする導波路型可変光減衰器。
【請求項２】
前記２本のアーム導波路の少なくとも一方に位相制御器を具備しており、可変光減衰器もしくは光スイッチとして機能することを特徴とする請求項１に記載の導波路型可変光減衰器。
【請求項３】
前記基板がシリコン基板であり、前記導波路が石英系ガラス導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型可変光減衰器。
【請求項１】
基板上に形成された導波路で構成される導波路型可変光減衰器において、
前記可変光減衰器が、入力導波路、第１の光カプラ、第２の光カプラ、前記第１と第２の光カプラを結ぶ２本のアーム導波路、および出力導波路から構成されており、前記第１と第２の光カプラはそれぞれ前記２本のアーム導波路が近接する領域を含み構成される方向性結合器であって、特に、
前記アーム導波路の長さが、使用光波長を導波路複屈折で割って求められるビート長の整数倍に設計されていることを特徴とする導波路型可変光減衰器。
【請求項２】
前記２本のアーム導波路の少なくとも一方に位相制御器を具備しており、可変光減衰器もしくは光スイッチとして機能することを特徴とする請求項１に記載の導波路型可変光減衰器。
【請求項３】
前記基板がシリコン基板であり、前記導波路が石英系ガラス導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型可変光減衰器。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−６５１８７（Ｐ２０１１−６５１８７Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８０９４２（Ｐ２０１０−２８０９４２）
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【分割の表示】特願２００６−５５２９８４（Ｐ２００６−５５２９８４）の分割
【原出願日】平成１８年１月１３日（２００６．１．１３）
【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２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【分割の表示】特願２００６−５５２９８４（Ｐ２００６−５５２９８４）の分割
【原出願日】平成１８年１月１３日（２００６．１．１３）
【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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