熱光学位相シフタ、およびこれを用いた可変光減衰器、１×Ｍ光スイッチ、可変波長フィルタ
【課題】より低消費電力化を実現した熱光学位相シフタ、およびこれを用いた可変光減衰器、１×Ｍ光スイッチ、可変波長フィルタを提供すること。
【解決手段】請求項１に記載された発明は、光信号を導波するための光導波路１３と、該光導波路１３の一部を加熱することで前記光信号に位相変化を与えるヒータ１５とを備え、前記ヒータ１５の長手方向と前記光導波路１３の加熱される部分１３１、１３２の長手方向とが同じ向きになるように重なって設けられており、前記光導波路の加熱される部分が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されることで、前記加熱される部分の光導波路が前記ヒータと重なる位置に高密度に設けられていることを特徴とする熱光学位相シフタである。可変光減衰器、１×Ｍ光スイッチ、可変波長フィルタはこの熱光学位相シフタを用いて構成できる。
【解決手段】請求項１に記載された発明は、光信号を導波するための光導波路１３と、該光導波路１３の一部を加熱することで前記光信号に位相変化を与えるヒータ１５とを備え、前記ヒータ１５の長手方向と前記光導波路１３の加熱される部分１３１、１３２の長手方向とが同じ向きになるように重なって設けられており、前記光導波路の加熱される部分が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されることで、前記加熱される部分の光導波路が前記ヒータと重なる位置に高密度に設けられていることを特徴とする熱光学位相シフタである。可変光減衰器、１×Ｍ光スイッチ、可変波長フィルタはこの熱光学位相シフタを用いて構成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱光学位相シフタおよび光干渉回路に関し、さらに詳細には、熱光学位相シフタおよびこれを用いた可変光減衰器、１×Ｍ光スイッチ、可変波長フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、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。この光波長多重通信システムにおいて、個々の光波長の光強度ばらつきを抑制するための可変光減衰器は重要な光部品である。
【０００３】
従来から広く用いられている、光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計型の可変光減衰器の一例を図１に示す。この可変光減衰器は、２つの方向性結合器１０４、１０５とそれらを連結するアーム導波路１０２から構成されるマッハツェンダ干渉計から構成されており、アーム導波路１０２の上方には光導波路１０１を加熱するための薄膜ヒータ１０３が装荷されている。薄膜ヒータ１０３に電流を流すことによって、アーム導波路１０２が加熱されて、そのアーム導波路１０２を伝搬する光信号の位相を変化させることによって、マッハツェンダ干渉計から出力される光信号強度を可変できる。
【０００４】
このようなデバイスに用いられる光導波路の作製方法を図２に示す。シリコンを基板２０１とし、基板２０１上に石英ガラス２０２、シリコン２０３を積層して構成されるＳｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板２００を用いる。始めに、電子ビーム露光とプラズマエッチングによって、シリコン導波路２０３を形成する(２１０)。次に、ＣＶＤ（化学気相成長）法によって、石英系ガラス２０４を堆積し、シリコン導波路２０３を埋め込んでいる。以上の工程により、導波路はシリコン、クラッドは石英ガラス（導波路の周囲をクラッドと定義）である埋め込み型の光導波路構造が完成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４７３２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Compact and low power thermo-optic switch using folded silicon waveguides」, Adam Densmore, Siegfried Janz, Rubin Ma, Jens H. Schmid, Dan-Xia Xu, Andre Delage, Jean Lapointe, Martin Vachon and Pavel Cheben, Optics Express, Vol.17 No. 13, June 22, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このマッハツェンダ干渉計型の可変光減衰器は、例えば２本のアーム導波路のうち一方のアーム導波路のみを加熱することによって、２本のアーム導波路を伝搬する光信号の位相差を生成して光信号を減衰させる減衰器として機能する。この加熱に必要な消費電力は１減衰器当たり７０ｍＷ程度必要である。この可変光減衰器は波長ごとに必要となるため、例えば１００波長分の可変光減衰器を用意すると、７Ｗ（７０ｍＷ×１００）もの消費電力が必要となるため、さらなる低消費電力化が求められている。
【０００８】
さらなる低消費電力化の実現のために、例えば特許文献１に記載の光回路が提案されている。この熱光学効果を用いた光回路においては、薄膜ヒータ近傍に断熱溝１０４を形成している。この断熱溝は、ヒータの両側に深い溝を形成したもので、基板水平方向への熱の拡散を抑制する働きがあり、消費電力を下げることが可能となる。
【０００９】
しかしながら、この光回路では、基板水平方向の断熱溝幅を大きくし、導波路のリッジ幅を小さくするにつれて低消費電力化の効果が増大するが、６μm以下のリッジ幅では光学特性の劣化が発生するため、消費電力の低減には限界があった。
【００１０】
また、非特許文献１には、熱光学効果を用いた光回路において、熱光学位相シフタの加熱領域にある導波路を渦巻状にし、ヒータ領域下の導波路を渦巻状に形成して高密度に配置することで、位相差の生成に必要な電力を抑え、低消費電力化が可能なマッハツェンダ干渉型光スイッチを作製することが提案されている。
【００１１】
しかしながら、このスイッチは加熱領域の導波路が渦巻状で、ヒータは渦巻状導波路を横断する方向に１８０度折り返し導波路（折り返し構造）を持つ格子状に配置されていることから、ヒータは加熱領域にある導波路の全領域を覆うことができない。通常、ヒータ発熱による温度分布は導波路を分断する断面方向（垂直方向）に二次元に分布するため、渦巻状導波路全てにおいて一様の温度で加熱することは難しい。その結果、一様に加熱するためには、ヒータからの距離を離す必要があり、無駄な加熱領域を増加させてしまう。
【００１２】
また、渦巻き状の導波路では加熱領域にある導波路のサイズが大きいため、薄膜ヒータ近傍に熱の流出を防止するための断熱溝を形成することは難しく、渦巻き状の導波路では十分な低消費電力化が困難であった。
【００１３】
本発明の課題は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、より低消費電力化を実現した熱光学位相シフタ、およびこれを用いた可変光減衰器、１×Ｍ光スイッチ、可変波長フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、光信号を導波するための光導波路と、該光導波路の一部を加熱することで前記光信号に位相変化を与えるヒータとを備え、前記ヒータの長手方向と前記光導波路の加熱される部分の長手方向とが同じ向きになるように重なって設けられており、前記光導波路の加熱される部分が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されることで、前記加熱される部分の光導波路が前記ヒータと重なる位置に高密度に設けられていることを特徴とする熱光学位相シフタである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記折り返し構造は、曲げ導波路により複数本の導波路を光学的に結合していることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記折り返し構造は、反射手段により複数本の導波路を光学的に結合していることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載された発明は、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタにおいて、前記ヒータの両側に、断熱性を高めるための溝を備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載された発明は、２本の光導波路のうち少なくとも１本の光導波路が請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有する２本の光導波路と、前記２本の光導波路のそれぞれによって連結される２つの方向性結合器とを備え、前記２本の光導波路のそれぞれの一部が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されており、前記２本の光導波路の長手方向とは垂直な方向において前記折り返し構造が重なることがないように、前記２本の光導波路の長手方向にずれた位置に折り返し構造を配置することを特徴とする可変光減衰器である。
【００１９】
請求項６に記載された発明は、請求項５に記載された可変光減衰器前記方向性結合器は、入力側に形成された第１の３ｄＢ結合器と、出力側に形成された第２の３ｄＢ結合器とであることを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載された発明は、光信号が入力される１本の入力導波路と、前記１本の入力導波路に接続された１入力Ｎ出力の第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路の出力に接続されたＮ本のアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続されたＮ入力Ｍ出力の第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路の出力に接続されたＭ本の出力導波路とを備え、前記Ｎ本のアレイ導波路のそれぞれは、光路長が互いに等しく、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有し、該熱光学位相シフタによって前記Ｎ本のアレイ導波路を導波する光信号に位相変化を与えることによって、Ｍ本の出力導波路のうちの所望の出力導波路に前記光信号を出力することを特徴とする１×Ｍ光スイッチである。
【００２１】
請求項８に記載された発明は、光信号が入力される１本の入力導波路と、前記１本の入力導波路に接続された１入力Ｎ出力の第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路の出力に接続されたＮ本のアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続されたＮ入力１出力の第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路の出力に接続された１本の出力導波路とを備え、前記Ｎ本のアレイ導波路のそれぞれは、光路長が互いに異なり、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有し、該熱光学位相シフタによって前記Ｎ本のアレイ導波路を導波する互いに周波数の異なる光信号のそれぞれに位相変化を与えることによって、複数の周波数の光信号のうちの所望の周波数の光信号を前記出力導波路から出力することを特徴とする可変波長フィルタである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計型の可変光減衰器の従来の構成例を示す図である。
【図２】光導波路の作製方法を示す図である。
【図３】第１の実施形態にかかる熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器の構成を示す図である。
【図４】アーム導波路を構成する埋め込み型の光導波路の構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態にかかる熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器を示す図である。
【図６】反射手段によって光学的に結合される２つの光導波路を示す図である。
【図７】第３の実施形態にかかる可変光減衰器を示す図である。
【図８】第４の実施形態にかかる１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）多ポートスイッチの回路構成を示す図である。
【図９】第４の実施形態にかかる１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）多ポートスイッチの回路構成の他の例を示す図である。
【図１０】折り返し構造の構成例を示す図である。
【図１１】第５の実施形態にかかる可変波長フィルタの回路構成を示す図である。
【図１２】第５の実施形態にかかる可変波長フィルタの回路構成の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態にかかる熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器の構成を示す図である。可変光減衰器は、入力された光信号を熱光学位相シフタ（単に、位相シフタともいう）によって位相変調することで光信号強度を所望の値に調整し出力する機能を有する。図３に示すように、可変光減衰器は、２つの方向性結合器１２、１４とそれらを連結する２本のアーム導波路（光導波路）１３とを備えたマッハツェンダ干渉計として構成されている。２本のアーム導波路１３の上部には、薄膜ヒータ１５が配置されており、この薄膜ヒータ１５に接続された配線１６に電流を供給することによって熱光学位相シフタとして機能することができる。また薄膜ヒータ１５の両脇には、薄膜ヒータ１５に沿って断熱溝１７が形成されている。
【００２５】
２本のアーム導波路１３のそれぞれは、図４に示すような、石英系クラッド１１の内部にシリコンコア１０ａ、１０ｂが埋め込まれた埋め込み型の光導波路として構成されている。位相シフタとして機能する薄膜ヒータ１５に配線１６を介して電流を供給して、アーム導波路１３を構成する２つのシリコンコア１０ａ、１０ｂに与える温度を調整することにより２本の導波路１３（１０ａ、１０ｂ）における光信号（２つの光信号）に位相差を与える。可変光減衰器では、この位相差を持った２つの光信号を干渉させることによって、入力された光信号強度を所望の値に調整して出力することができる。また、薄膜ヒータ１５の両脇の断熱溝１７は、２本のアーム導波路１３同士の熱干渉を抑制するとともに、ヒータ１５の加熱効率の向上に寄与する。
【００２６】
このアーム導波路１３は、図２に示す工程によって作製できる。すなわち、まず、シリコン基板２０１上に、ＳｉＯ2層２０２、シリコン層２０３が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板２００を用意する。このＳＯＩ基板２００を電子ビーム露光と反応性エッチングにより処理することによって、導波路のコアの形状とされたシリコンコア２０３が形成された基板２１０を得る。次に、導波路のコアの形状とされたシリコンコア２０３を覆うように、ＳｉＯ2を主体とした上部クラッドガラス２０４を堆積して導波路積層体２２０を得る。さらに、その上に、配線パターン・ヒータパターンを作製する。そして、断熱溝としての深溝をフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチングにより作製する。
【００２７】
本発明の熱光学位相シフタは、図３に示すように、薄膜ヒータ１５が配置されている領域の下部において、薄膜ヒータ１５の長手方向に、アーム導波路１３（シリコンコア１０）が少なくとも１回以上往復している折り返し構造を備えていることに特徴がある。この折り返し構造は、言い換えると、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした構造である。すなわち、本発明の熱光学位相シフタのアーム導波路１３は、その加熱領域において、薄膜ヒータ１５の一端から他端に向かって延びている直線導波路１３１と、往復導波路１３２とを備えて構成される点に特徴がある。
【００２８】
本実施形態の往復導波路１３２は、ヒータ１５の他端部分で直線導波路１３１の終端から１８０度進行方向を変えた第１の曲げ導波路１３３と、この他端部分からヒータ１５の一端に戻るように延びている直線の往路導波路１３４と、さらにこの一端部分で導波路が１８０度進行方向を変えた第２の曲げ導波路１３５と、再びヒータ１５の他端に向かって延びる直線の復路導波路１３６とから構成される折り返し構造が一回以上繰り返された構成とすることができる。アーム導波路１３は、折り返し構造を備えることにより、その直線導波路１３１および往復導波路１３２の全領域がヒータ１５の加熱領域に格納されることができ、加熱される部分の光導波路がヒータと重なる位置に高密度に設けられることとなる。
【００２９】
従来の可変光減衰器では、図１に示すように、アーム導波路１０２の加熱される部分は直線形の導波路であり、これに加熱すべき領域の導波路と同じ長さのヒータ１０３を設ける必要があった。一方、本発明のように１８０度の曲げ導波路１３３、１３５の２つを一組として採用して折り返し導波路（折り返し構造）により高密度に配置された導波路１３２を用いると、従来の直線形のアーム導波路１０２に比べ、同じ長さの薄膜ヒータ１０３により加熱される導波路長が長くなるので、一度の加熱で温められる導波路領域が増え、位相差を変化させるために必要な電力の供給は抑えられる。これは一般に薄膜ヒータ１５の幅はアーム導波路１３を構成するシリコンコア１０の幅よりも十分大きいため、本実施形態の可変光減衰器の構造とすることにより、薄膜ヒータ１５の加熱領域が無駄なくアーム導波路１３の加熱に寄与するからである。
【００３０】
このように本実施形態の熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器によれば、従来の折り返しのない（直線形の）アーム導波路に比べ、同じ長さの薄膜ヒータにより加熱される導波路長が長くなるので、同じ温度上昇でより大きな位相変化が得られることとなる。またヒータ１５の両脇に断熱溝１７が形成されており、ヒータ１５の下部にある導波路断面における熱分布は、基板に向かってほぼ一次元で温度勾配ができる。その結果、ヒータ１５下部の複数の導波路は、ヒータ１５からの距離によらず一様に加熱されることとなり、ヒータ１５に極限まで近づけることが可能となり、より効率的な温度上昇が可能となる。
【００３１】
本実施形態においては、シリコンコアによりアーム導波路１３を構成する態様を例に挙げて説明したが、ヒータ下部のみをシリコンコアで形成し、その他のコアは石英コアを用いて構成してもよい。
【００３２】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器を示す図である。図５に示すように、本実施形態で説明する熱光学位相シフタは、第１の実施形態の曲げ導波路１３３、１３５（図３参照）の代わりに、光導波路を分断するように挿入された反射板もしくは反射膜として形成される反射手段１８を用いる構成である。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３３】
反射手段１８は図６に示すように、２つの光導波路Ａ、Ｂの端部に設けられており、一方の光導波路Ａから反射手段１８に入射光Ｐ１が入射され、反射手段１８によって反射された反射光Ｐ２が他方の光導波路Ｂに結合されることにより２つの光導波路を光学的に接続している。
【００３４】
本実施形態の可変光減衰器を作製する際には、第１の実施形態と同様に、シリコンコアの形成、クラッドガラスの堆積を行い、導波路積層体２２０（図２参照）をまず作製する。この導波路積層体２２０を電子ビーム露光と反応性エッチングにより処理して、反射膜を形成する部分に溝を作る。次に、その溝を埋めるように反射手段となるＡｌを堆積した後、表面に堆積した余分なＡｌを反応性エッチングによって取り除く。さらにその上に、第１の実施形態と同様に配線パターン・ヒータパターンを作製し、最後に断熱溝を作製する。また、ミラー（反射手段）の材料としては、Ａｌの他、Ａｕ、Ａｇ等の金属膜でも作製できる。
【００３５】
本実施形態の可変光減衰器によれば、第１の実施形態の効果に加えて、ミラー（反射手段）による光導波路の折り返し構造を用いることで、曲げ導波路を用いる構成よりも小型に作製することが可能である。
【００３６】
本実施例では導波路コアとしてシリコンコアを用いているが、コア材料としては石英ガラスやポリマー材料を用いても同様な効果が得られる。
【００３７】
本実施形態においては、シリコンコアによりアーム導波路１３を構成する態様を例に挙げて説明したが、ヒータ下部のみをシリコンコアで形成し、その他のコアは石英コアを用いて構成してもよい。
【００３８】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態にかかる可変光減衰器を示す図である。第１の実施形態の可変光減衰器では、隣接するアーム導波路に形成された折り返し構造の位置が導波路長手方向とは垂直な方向に整列していたが、本実施形態の可変光減衰器では、隣接するアーム導波路に形成された折り返し構造１３２の位置が導波路長手方向とは垂直な方向に整列しておらず、導波路長手方向に平行移動した位置に、それぞれの折り返し構造が重なることがないようにずらして配置されていることを特徴とする。この構成により、アーム導波路間に断熱溝を設けず、アーム導波路間の間隔を狭くした場合でも熱干渉を抑制することができる。また、熱干渉抑制によって温度むらが予防でき、設定減衰量の変化を引き起こす位相シフト量の制御が可能になる。さらに、例えば２本のアーム導波路のうちの一方のみを加熱して位相差を与える構成の可変光減衰器に用いた場合は、加熱が必要な一方のアーム導波路のみが加熱され、加熱が不要なもう一方のアーム導波路も加熱されず、低消費電力化が図れる。
【００３９】
因みに、非特許文献１の渦巻き状導波路では、渦巻き導波路自体のサイズが大きいため、折り返し構造を有する導波路を長手方向に対して垂直に整列させず、長手方向に平行移動した位置に、それぞれが重なることがないようにずらして配置することは困難である。
【００４０】
図７に示す例では、可変光減衰器の導波路長の等しい２本のアーム導波路のうち一方の導波路の折り返し構造１３２ａのみをヒータ１５の下に設け、他方の導波路の折り返し構造１３２ｂはヒータ１５の下に重ならない位置に設けることによって、加熱部分の導波路長を異ならせて位相差を与える構成としている。ヒータ１５を設ける位置はこれに限定されない。図７に示すように、両方の導波路に重なる位置とせずに、一方の導波路の折り返し構造１３２ａの位置のみにヒータが設けられていてもよい。また、２つの折り返し構造１３２ａ、１３２ｂのそれぞれに重なる位置に別々のヒータを設けてもよい。
【００４１】
このように本実施形態の可変光１減衰器によれば、隣接するアーム導波路に形成された折り返し構造１３２の位置が導波路長手方向とは垂直な方向に整列しておらず、導波路長手方向に平行移動した位置に、それぞれの折り返し構造が重なることがないようにずらして配置されている構成により、アーム導波路間に断熱溝を設けず、アーム導波路間の間隔を狭くした場合でも熱干渉を抑制することができる。また位相差を変化させるために必要な電力が抑制でき、より大きな低消費電力化とより高度な位相シフト制御が期待できる。
【００４２】
本実施形態では、熱光学位相シフタとして第１の実施形態のものを採用した場合を例に挙げて説明したが、これに代えて第２の実施形態のものを採用してもよい。この場合、図７に示す薄膜ヒータ１５下部の折り返し構造において採用している１８０度進行方向を変える曲げ導波路の代わりに反射手段１８（図５参照）が用いられる。
【００４３】
本実施形態においては、シリコンコアによりアーム導波路１３を構成する態様を例に挙げて説明したが、ヒータ下部のみをシリコンコアで形成し、その他のコアは石英コアを用いて構成してもよい。
【００４４】
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態にかかる１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）多ポートスイッチの回路構成を示す図である。なお同図においては、配線は省略して示している。図８に示すように、本実施形態の多ポート光スイッチは、１本の入力導波路２３と、Ｍ本の出力導波路２４と、１入力Ｎ（Ｎは２以上の整数）出力の第１のスラブ導波路２１およびＮ入力Ｍ出力の第２のスラブ導波路２２と、これら２つのスラブ導波路２１、２２を連結するＮ本の光導波路（アレイ導波路）２０とを備えた光干渉回路として構成できる。薄膜ヒータ１５下部のアレイ導波路２０には図１０に示すように第１の実施形態と同様の折り返し構造が構成されている。薄膜ヒータ１５下部のアレイ導波路２０の折り返し構造は、第１の実施形態と同様の構成に限らず、第２の実施形態と同様の構成を採用してもよい。図８に示す光干渉回路として構成される１×Ｍ多ポートスイッチは、入力された光信号強度をＭ個のポートのうちの所望のポートに出力する機能を有する。
【００４５】
本実施形態の１×Ｍ多ポート光スイッチの動作を説明する。１本の入力導波路２３から入射した光信号は、第１のスラブ導波路２１に入力され、第１のスラブ導波路２１においてＮ本のアレイ導波路２０に分配される。次に、それぞれのアレイ導波路２０を伝搬する光信号は位相シフタとして機能するヒータ１５により所望の位相差が与えられる。位相差が与えられた光信号は、第２のスラブ導波路に入力されるが、第２のスラブ導波路２２の出力端で集光する位置は与えられた位相差により決定される。その集光位置をＭ本の出力導波路２４のいずれかが接続された位置に調整されることにより、Ｍ本の出力導波路２５のいずれかから出力させることができる。
【００４６】
ところで１×Ｍ多ポート光スイッチでは、Ｍ本の出力導波路のいずれかから集光した光を出力させるためには、位相シフタとして機能する複数のヒータによる位相変化量をそれぞれ個別に所望の値にする必要がある。従来の光スイッチでは、位相変化を与えるために加熱されるアーム導波路部分が直線形の導波路であり、加熱する部分の導波路の長さと同じ長さのヒータが必要となるため、位相差を変化させるために必要な電力が大きくなっていた。本実施形態の１×Ｍ多ポート光スイッチによれば、ヒータ１５の下に折り返し構造を有する高密度に配置された導波路を用いることにより、直線形のアーム導波路に比べ、同じ長さの薄膜ヒータ１５により加熱される導波路長が長くなるので、一度の加熱で温められる導波路領域が増え、位相差を変化させるために必要な電力の供給が抑えられる。
【００４７】
本実施形態では、第１または第２の実施形態の可変光減衰器と同様に、長手方向に垂直な方向に折り返し構造が整列した構成の１×Ｍ多ポートスイッチを例に挙げて説明したが、図９に示す構成としてもよい。すなわち、第３の実施形態の可変光減衰器と同様に、隣接するアーム導波路に形成された折り返し構造１３２の位置が導波路長手方向とは垂直な方向に整列しておらず、導波路長手方向に平行移動した位置に、それぞれの折り返し構造が重なることがないようにずらして配置されている構成の１×Ｍ多ポートスイッチとしてもよい。
【００４８】
（第５の実施形態）
図１１は、本発明の第５の実施形態にかかる可変波長フィルタの回路構成を示す。なお同図においては、配線は省略して示している。図１１に示すように、本実施形態の可変波長フィルタは、１本の入力導波路２８と、１本の出力導波路２９と、１入力Ｎ（Ｎは２以上の整数）出力のスラブ導波路２６およびＮ入力１出力のスラブ導波路２７と、これら２本のスラブ導波路２６、２７を連結する長さの異なるＮ本の光導波路（アレイ導波路）２５とを備えた光干渉回路であり、薄膜ヒータ１５下部のアレイ導波路２５には折り返し構造を有する高密度に配置された導波路が配置されている。薄膜ヒータ１５の下部のアレイ導波路２５の拡大図を図１０に示す。
【００４９】
本実施形態の可変波長フィルタの動作を説明する。１本の入力導波路から入射した光信号は、第１のスラブ導波路２１に入力され、第１のスラブ導波路２１においてＮ本のアレイ導波路２５に分配される。次に、Ｎ本のアレイ導波路２５を伝搬する光信号は、長さの異なるＮ本のアレイ導波路２５を伝搬した後に第２のスラブ導波路に入力される。長さの異なるＮ本のアレイ導波路２５を伝搬することで、第２のスラブ導波路において波長によって異なる位置に集光する。また、位相シフタとして機能するヒータ１５によって位相を変えることで集光位置を変化させることができるので、必要とする波長の集光位置を出力導波路２９との接続位置に調整することにより、特定の波長のみを取り出すことができる。
【００５０】
ところで可変波長フィルタでは、１本の出力導波路から特定の波長の光信号を出力させるためには、位相シフタとして機能する複数のヒータによる位相変化量をそれぞれ個別に所望の値にする必要がある。従来の可変波長フィルタでは、位相変化を与えるために加熱されるアーム導波路部分が直線形の導波路であり、加熱する部分の導波路の長さと同じ長さのヒータが必要となるため、位相差を変化させるために必要な電力が大きくなっていた。本実施形態の可変波長フィルタによれば、ヒータ１５の下に折り返し構造を有する高密度に配置された導波路を用いることにより、直線形のアーム導波路に比べ、同じ長さの薄膜ヒータ１５により加熱される導波路長が長くなるので、一度の加熱で温められる導波路領域が増え、位相差を変化させるために必要な電力の供給が抑えられる。よって、本実施形態の可変波長フィルタによれば、より高度な位相シフト制御とより大きな低消費電力化が期待できる。
【００５１】
また本実施形態の可変波長フィルタによれば、図１２の構成とすることができる。従来の可変波長フィルタでは、隣接するアーム導波路の間隔が非常に狭い場合には、熱干渉が発生し、一方のアーム導波路のみが加熱されず、加熱が不要なもう一方のアーム導波路も加熱されてしまい、消費電力の増大を招いていた。この問題を解消するべく、本実施形態の可変波長フィルタでは、図１２に示す構成、すなわち、第３の実施形態の可変光減衰器と同様に、隣接する導波路の長手方向とは垂直な方向において折り返し構造が重なることがないように、導波路の長手方向にずれた位置に折り返し構造を配置した構成とすることができる。この配置とすることにより、隣接するアーム導波路の間隔が非常に狭い場合でもアーム導波路間での熱干渉を抑制でき、温度むらによる設定位相変化量のずれの発生を防止できる。
【符号の説明】
【００５２】
１０ シリコンコア
１１ 石英系クラッド
１２、１４ 方向性結合器
１３ アーム導波路（光導波路）
１５ 薄膜ヒータ
１６ 配線
１７ 断熱溝
１０１ 入力光導波路
１０２ アーム導波路
１０３ ヒータ
１０４、１０５ 方向性結合器
２００ ＳＯＩ基板
２０１ 基板
２０２ 石英ガラス
２０３ シリコン、シリコン導波路
２０４ 石英系ガラス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱光学位相シフタおよび光干渉回路に関し、さらに詳細には、熱光学位相シフタおよびこれを用いた可変光減衰器、１×Ｍ光スイッチ、可変波長フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、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。この光波長多重通信システムにおいて、個々の光波長の光強度ばらつきを抑制するための可変光減衰器は重要な光部品である。
【０００３】
従来から広く用いられている、光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計型の可変光減衰器の一例を図１に示す。この可変光減衰器は、２つの方向性結合器１０４、１０５とそれらを連結するアーム導波路１０２から構成されるマッハツェンダ干渉計から構成されており、アーム導波路１０２の上方には光導波路１０１を加熱するための薄膜ヒータ１０３が装荷されている。薄膜ヒータ１０３に電流を流すことによって、アーム導波路１０２が加熱されて、そのアーム導波路１０２を伝搬する光信号の位相を変化させることによって、マッハツェンダ干渉計から出力される光信号強度を可変できる。
【０００４】
このようなデバイスに用いられる光導波路の作製方法を図２に示す。シリコンを基板２０１とし、基板２０１上に石英ガラス２０２、シリコン２０３を積層して構成されるＳｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板２００を用いる。始めに、電子ビーム露光とプラズマエッチングによって、シリコン導波路２０３を形成する(２１０)。次に、ＣＶＤ（化学気相成長）法によって、石英系ガラス２０４を堆積し、シリコン導波路２０３を埋め込んでいる。以上の工程により、導波路はシリコン、クラッドは石英ガラス（導波路の周囲をクラッドと定義）である埋め込み型の光導波路構造が完成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４７３２６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Compact and low power thermo-optic switch using folded silicon waveguides」, Adam Densmore, Siegfried Janz, Rubin Ma, Jens H. Schmid, Dan-Xia Xu, Andre Delage, Jean Lapointe, Martin Vachon and Pavel Cheben, Optics Express, Vol.17 No. 13, June 22, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このマッハツェンダ干渉計型の可変光減衰器は、例えば２本のアーム導波路のうち一方のアーム導波路のみを加熱することによって、２本のアーム導波路を伝搬する光信号の位相差を生成して光信号を減衰させる減衰器として機能する。この加熱に必要な消費電力は１減衰器当たり７０ｍＷ程度必要である。この可変光減衰器は波長ごとに必要となるため、例えば１００波長分の可変光減衰器を用意すると、７Ｗ（７０ｍＷ×１００）もの消費電力が必要となるため、さらなる低消費電力化が求められている。
【０００８】
さらなる低消費電力化の実現のために、例えば特許文献１に記載の光回路が提案されている。この熱光学効果を用いた光回路においては、薄膜ヒータ近傍に断熱溝１０４を形成している。この断熱溝は、ヒータの両側に深い溝を形成したもので、基板水平方向への熱の拡散を抑制する働きがあり、消費電力を下げることが可能となる。
【０００９】
しかしながら、この光回路では、基板水平方向の断熱溝幅を大きくし、導波路のリッジ幅を小さくするにつれて低消費電力化の効果が増大するが、６μm以下のリッジ幅では光学特性の劣化が発生するため、消費電力の低減には限界があった。
【００１０】
また、非特許文献１には、熱光学効果を用いた光回路において、熱光学位相シフタの加熱領域にある導波路を渦巻状にし、ヒータ領域下の導波路を渦巻状に形成して高密度に配置することで、位相差の生成に必要な電力を抑え、低消費電力化が可能なマッハツェンダ干渉型光スイッチを作製することが提案されている。
【００１１】
しかしながら、このスイッチは加熱領域の導波路が渦巻状で、ヒータは渦巻状導波路を横断する方向に１８０度折り返し導波路（折り返し構造）を持つ格子状に配置されていることから、ヒータは加熱領域にある導波路の全領域を覆うことができない。通常、ヒータ発熱による温度分布は導波路を分断する断面方向（垂直方向）に二次元に分布するため、渦巻状導波路全てにおいて一様の温度で加熱することは難しい。その結果、一様に加熱するためには、ヒータからの距離を離す必要があり、無駄な加熱領域を増加させてしまう。
【００１２】
また、渦巻き状の導波路では加熱領域にある導波路のサイズが大きいため、薄膜ヒータ近傍に熱の流出を防止するための断熱溝を形成することは難しく、渦巻き状の導波路では十分な低消費電力化が困難であった。
【００１３】
本発明の課題は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、より低消費電力化を実現した熱光学位相シフタ、およびこれを用いた可変光減衰器、１×Ｍ光スイッチ、可変波長フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、光信号を導波するための光導波路と、該光導波路の一部を加熱することで前記光信号に位相変化を与えるヒータとを備え、前記ヒータの長手方向と前記光導波路の加熱される部分の長手方向とが同じ向きになるように重なって設けられており、前記光導波路の加熱される部分が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されることで、前記加熱される部分の光導波路が前記ヒータと重なる位置に高密度に設けられていることを特徴とする熱光学位相シフタである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記折り返し構造は、曲げ導波路により複数本の導波路を光学的に結合していることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の熱光学位相シフタにおいて、前記折り返し構造は、反射手段により複数本の導波路を光学的に結合していることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載された発明は、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタにおいて、前記ヒータの両側に、断熱性を高めるための溝を備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載された発明は、２本の光導波路のうち少なくとも１本の光導波路が請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有する２本の光導波路と、前記２本の光導波路のそれぞれによって連結される２つの方向性結合器とを備え、前記２本の光導波路のそれぞれの一部が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されており、前記２本の光導波路の長手方向とは垂直な方向において前記折り返し構造が重なることがないように、前記２本の光導波路の長手方向にずれた位置に折り返し構造を配置することを特徴とする可変光減衰器である。
【００１９】
請求項６に記載された発明は、請求項５に記載された可変光減衰器前記方向性結合器は、入力側に形成された第１の３ｄＢ結合器と、出力側に形成された第２の３ｄＢ結合器とであることを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載された発明は、光信号が入力される１本の入力導波路と、前記１本の入力導波路に接続された１入力Ｎ出力の第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路の出力に接続されたＮ本のアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続されたＮ入力Ｍ出力の第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路の出力に接続されたＭ本の出力導波路とを備え、前記Ｎ本のアレイ導波路のそれぞれは、光路長が互いに等しく、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有し、該熱光学位相シフタによって前記Ｎ本のアレイ導波路を導波する光信号に位相変化を与えることによって、Ｍ本の出力導波路のうちの所望の出力導波路に前記光信号を出力することを特徴とする１×Ｍ光スイッチである。
【００２１】
請求項８に記載された発明は、光信号が入力される１本の入力導波路と、前記１本の入力導波路に接続された１入力Ｎ出力の第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路の出力に接続されたＮ本のアレイ導波路と、前記アレイ導波路に接続されたＮ入力１出力の第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路の出力に接続された１本の出力導波路とを備え、前記Ｎ本のアレイ導波路のそれぞれは、光路長が互いに異なり、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有し、該熱光学位相シフタによって前記Ｎ本のアレイ導波路を導波する互いに周波数の異なる光信号のそれぞれに位相変化を与えることによって、複数の周波数の光信号のうちの所望の周波数の光信号を前記出力導波路から出力することを特徴とする可変波長フィルタである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計型の可変光減衰器の従来の構成例を示す図である。
【図２】光導波路の作製方法を示す図である。
【図３】第１の実施形態にかかる熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器の構成を示す図である。
【図４】アーム導波路を構成する埋め込み型の光導波路の構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態にかかる熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器を示す図である。
【図６】反射手段によって光学的に結合される２つの光導波路を示す図である。
【図７】第３の実施形態にかかる可変光減衰器を示す図である。
【図８】第４の実施形態にかかる１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）多ポートスイッチの回路構成を示す図である。
【図９】第４の実施形態にかかる１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）多ポートスイッチの回路構成の他の例を示す図である。
【図１０】折り返し構造の構成例を示す図である。
【図１１】第５の実施形態にかかる可変波長フィルタの回路構成を示す図である。
【図１２】第５の実施形態にかかる可変波長フィルタの回路構成の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態にかかる熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器の構成を示す図である。可変光減衰器は、入力された光信号を熱光学位相シフタ（単に、位相シフタともいう）によって位相変調することで光信号強度を所望の値に調整し出力する機能を有する。図３に示すように、可変光減衰器は、２つの方向性結合器１２、１４とそれらを連結する２本のアーム導波路（光導波路）１３とを備えたマッハツェンダ干渉計として構成されている。２本のアーム導波路１３の上部には、薄膜ヒータ１５が配置されており、この薄膜ヒータ１５に接続された配線１６に電流を供給することによって熱光学位相シフタとして機能することができる。また薄膜ヒータ１５の両脇には、薄膜ヒータ１５に沿って断熱溝１７が形成されている。
【００２５】
２本のアーム導波路１３のそれぞれは、図４に示すような、石英系クラッド１１の内部にシリコンコア１０ａ、１０ｂが埋め込まれた埋め込み型の光導波路として構成されている。位相シフタとして機能する薄膜ヒータ１５に配線１６を介して電流を供給して、アーム導波路１３を構成する２つのシリコンコア１０ａ、１０ｂに与える温度を調整することにより２本の導波路１３（１０ａ、１０ｂ）における光信号（２つの光信号）に位相差を与える。可変光減衰器では、この位相差を持った２つの光信号を干渉させることによって、入力された光信号強度を所望の値に調整して出力することができる。また、薄膜ヒータ１５の両脇の断熱溝１７は、２本のアーム導波路１３同士の熱干渉を抑制するとともに、ヒータ１５の加熱効率の向上に寄与する。
【００２６】
このアーム導波路１３は、図２に示す工程によって作製できる。すなわち、まず、シリコン基板２０１上に、ＳｉＯ2層２０２、シリコン層２０３が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板２００を用意する。このＳＯＩ基板２００を電子ビーム露光と反応性エッチングにより処理することによって、導波路のコアの形状とされたシリコンコア２０３が形成された基板２１０を得る。次に、導波路のコアの形状とされたシリコンコア２０３を覆うように、ＳｉＯ2を主体とした上部クラッドガラス２０４を堆積して導波路積層体２２０を得る。さらに、その上に、配線パターン・ヒータパターンを作製する。そして、断熱溝としての深溝をフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチングにより作製する。
【００２７】
本発明の熱光学位相シフタは、図３に示すように、薄膜ヒータ１５が配置されている領域の下部において、薄膜ヒータ１５の長手方向に、アーム導波路１３（シリコンコア１０）が少なくとも１回以上往復している折り返し構造を備えていることに特徴がある。この折り返し構造は、言い換えると、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした構造である。すなわち、本発明の熱光学位相シフタのアーム導波路１３は、その加熱領域において、薄膜ヒータ１５の一端から他端に向かって延びている直線導波路１３１と、往復導波路１３２とを備えて構成される点に特徴がある。
【００２８】
本実施形態の往復導波路１３２は、ヒータ１５の他端部分で直線導波路１３１の終端から１８０度進行方向を変えた第１の曲げ導波路１３３と、この他端部分からヒータ１５の一端に戻るように延びている直線の往路導波路１３４と、さらにこの一端部分で導波路が１８０度進行方向を変えた第２の曲げ導波路１３５と、再びヒータ１５の他端に向かって延びる直線の復路導波路１３６とから構成される折り返し構造が一回以上繰り返された構成とすることができる。アーム導波路１３は、折り返し構造を備えることにより、その直線導波路１３１および往復導波路１３２の全領域がヒータ１５の加熱領域に格納されることができ、加熱される部分の光導波路がヒータと重なる位置に高密度に設けられることとなる。
【００２９】
従来の可変光減衰器では、図１に示すように、アーム導波路１０２の加熱される部分は直線形の導波路であり、これに加熱すべき領域の導波路と同じ長さのヒータ１０３を設ける必要があった。一方、本発明のように１８０度の曲げ導波路１３３、１３５の２つを一組として採用して折り返し導波路（折り返し構造）により高密度に配置された導波路１３２を用いると、従来の直線形のアーム導波路１０２に比べ、同じ長さの薄膜ヒータ１０３により加熱される導波路長が長くなるので、一度の加熱で温められる導波路領域が増え、位相差を変化させるために必要な電力の供給は抑えられる。これは一般に薄膜ヒータ１５の幅はアーム導波路１３を構成するシリコンコア１０の幅よりも十分大きいため、本実施形態の可変光減衰器の構造とすることにより、薄膜ヒータ１５の加熱領域が無駄なくアーム導波路１３の加熱に寄与するからである。
【００３０】
このように本実施形態の熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器によれば、従来の折り返しのない（直線形の）アーム導波路に比べ、同じ長さの薄膜ヒータにより加熱される導波路長が長くなるので、同じ温度上昇でより大きな位相変化が得られることとなる。またヒータ１５の両脇に断熱溝１７が形成されており、ヒータ１５の下部にある導波路断面における熱分布は、基板に向かってほぼ一次元で温度勾配ができる。その結果、ヒータ１５下部の複数の導波路は、ヒータ１５からの距離によらず一様に加熱されることとなり、ヒータ１５に極限まで近づけることが可能となり、より効率的な温度上昇が可能となる。
【００３１】
本実施形態においては、シリコンコアによりアーム導波路１３を構成する態様を例に挙げて説明したが、ヒータ下部のみをシリコンコアで形成し、その他のコアは石英コアを用いて構成してもよい。
【００３２】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる熱光学位相シフタを用いた可変光減衰器を示す図である。図５に示すように、本実施形態で説明する熱光学位相シフタは、第１の実施形態の曲げ導波路１３３、１３５（図３参照）の代わりに、光導波路を分断するように挿入された反射板もしくは反射膜として形成される反射手段１８を用いる構成である。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３３】
反射手段１８は図６に示すように、２つの光導波路Ａ、Ｂの端部に設けられており、一方の光導波路Ａから反射手段１８に入射光Ｐ１が入射され、反射手段１８によって反射された反射光Ｐ２が他方の光導波路Ｂに結合されることにより２つの光導波路を光学的に接続している。
【００３４】
本実施形態の可変光減衰器を作製する際には、第１の実施形態と同様に、シリコンコアの形成、クラッドガラスの堆積を行い、導波路積層体２２０（図２参照）をまず作製する。この導波路積層体２２０を電子ビーム露光と反応性エッチングにより処理して、反射膜を形成する部分に溝を作る。次に、その溝を埋めるように反射手段となるＡｌを堆積した後、表面に堆積した余分なＡｌを反応性エッチングによって取り除く。さらにその上に、第１の実施形態と同様に配線パターン・ヒータパターンを作製し、最後に断熱溝を作製する。また、ミラー（反射手段）の材料としては、Ａｌの他、Ａｕ、Ａｇ等の金属膜でも作製できる。
【００３５】
本実施形態の可変光減衰器によれば、第１の実施形態の効果に加えて、ミラー（反射手段）による光導波路の折り返し構造を用いることで、曲げ導波路を用いる構成よりも小型に作製することが可能である。
【００３６】
本実施例では導波路コアとしてシリコンコアを用いているが、コア材料としては石英ガラスやポリマー材料を用いても同様な効果が得られる。
【００３７】
本実施形態においては、シリコンコアによりアーム導波路１３を構成する態様を例に挙げて説明したが、ヒータ下部のみをシリコンコアで形成し、その他のコアは石英コアを用いて構成してもよい。
【００３８】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態にかかる可変光減衰器を示す図である。第１の実施形態の可変光減衰器では、隣接するアーム導波路に形成された折り返し構造の位置が導波路長手方向とは垂直な方向に整列していたが、本実施形態の可変光減衰器では、隣接するアーム導波路に形成された折り返し構造１３２の位置が導波路長手方向とは垂直な方向に整列しておらず、導波路長手方向に平行移動した位置に、それぞれの折り返し構造が重なることがないようにずらして配置されていることを特徴とする。この構成により、アーム導波路間に断熱溝を設けず、アーム導波路間の間隔を狭くした場合でも熱干渉を抑制することができる。また、熱干渉抑制によって温度むらが予防でき、設定減衰量の変化を引き起こす位相シフト量の制御が可能になる。さらに、例えば２本のアーム導波路のうちの一方のみを加熱して位相差を与える構成の可変光減衰器に用いた場合は、加熱が必要な一方のアーム導波路のみが加熱され、加熱が不要なもう一方のアーム導波路も加熱されず、低消費電力化が図れる。
【００３９】
因みに、非特許文献１の渦巻き状導波路では、渦巻き導波路自体のサイズが大きいため、折り返し構造を有する導波路を長手方向に対して垂直に整列させず、長手方向に平行移動した位置に、それぞれが重なることがないようにずらして配置することは困難である。
【００４０】
図７に示す例では、可変光減衰器の導波路長の等しい２本のアーム導波路のうち一方の導波路の折り返し構造１３２ａのみをヒータ１５の下に設け、他方の導波路の折り返し構造１３２ｂはヒータ１５の下に重ならない位置に設けることによって、加熱部分の導波路長を異ならせて位相差を与える構成としている。ヒータ１５を設ける位置はこれに限定されない。図７に示すように、両方の導波路に重なる位置とせずに、一方の導波路の折り返し構造１３２ａの位置のみにヒータが設けられていてもよい。また、２つの折り返し構造１３２ａ、１３２ｂのそれぞれに重なる位置に別々のヒータを設けてもよい。
【００４１】
このように本実施形態の可変光１減衰器によれば、隣接するアーム導波路に形成された折り返し構造１３２の位置が導波路長手方向とは垂直な方向に整列しておらず、導波路長手方向に平行移動した位置に、それぞれの折り返し構造が重なることがないようにずらして配置されている構成により、アーム導波路間に断熱溝を設けず、アーム導波路間の間隔を狭くした場合でも熱干渉を抑制することができる。また位相差を変化させるために必要な電力が抑制でき、より大きな低消費電力化とより高度な位相シフト制御が期待できる。
【００４２】
本実施形態では、熱光学位相シフタとして第１の実施形態のものを採用した場合を例に挙げて説明したが、これに代えて第２の実施形態のものを採用してもよい。この場合、図７に示す薄膜ヒータ１５下部の折り返し構造において採用している１８０度進行方向を変える曲げ導波路の代わりに反射手段１８（図５参照）が用いられる。
【００４３】
本実施形態においては、シリコンコアによりアーム導波路１３を構成する態様を例に挙げて説明したが、ヒータ下部のみをシリコンコアで形成し、その他のコアは石英コアを用いて構成してもよい。
【００４４】
（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態にかかる１×Ｍ（Ｍは２以上の整数）多ポートスイッチの回路構成を示す図である。なお同図においては、配線は省略して示している。図８に示すように、本実施形態の多ポート光スイッチは、１本の入力導波路２３と、Ｍ本の出力導波路２４と、１入力Ｎ（Ｎは２以上の整数）出力の第１のスラブ導波路２１およびＮ入力Ｍ出力の第２のスラブ導波路２２と、これら２つのスラブ導波路２１、２２を連結するＮ本の光導波路（アレイ導波路）２０とを備えた光干渉回路として構成できる。薄膜ヒータ１５下部のアレイ導波路２０には図１０に示すように第１の実施形態と同様の折り返し構造が構成されている。薄膜ヒータ１５下部のアレイ導波路２０の折り返し構造は、第１の実施形態と同様の構成に限らず、第２の実施形態と同様の構成を採用してもよい。図８に示す光干渉回路として構成される１×Ｍ多ポートスイッチは、入力された光信号強度をＭ個のポートのうちの所望のポートに出力する機能を有する。
【００４５】
本実施形態の１×Ｍ多ポート光スイッチの動作を説明する。１本の入力導波路２３から入射した光信号は、第１のスラブ導波路２１に入力され、第１のスラブ導波路２１においてＮ本のアレイ導波路２０に分配される。次に、それぞれのアレイ導波路２０を伝搬する光信号は位相シフタとして機能するヒータ１５により所望の位相差が与えられる。位相差が与えられた光信号は、第２のスラブ導波路に入力されるが、第２のスラブ導波路２２の出力端で集光する位置は与えられた位相差により決定される。その集光位置をＭ本の出力導波路２４のいずれかが接続された位置に調整されることにより、Ｍ本の出力導波路２５のいずれかから出力させることができる。
【００４６】
ところで１×Ｍ多ポート光スイッチでは、Ｍ本の出力導波路のいずれかから集光した光を出力させるためには、位相シフタとして機能する複数のヒータによる位相変化量をそれぞれ個別に所望の値にする必要がある。従来の光スイッチでは、位相変化を与えるために加熱されるアーム導波路部分が直線形の導波路であり、加熱する部分の導波路の長さと同じ長さのヒータが必要となるため、位相差を変化させるために必要な電力が大きくなっていた。本実施形態の１×Ｍ多ポート光スイッチによれば、ヒータ１５の下に折り返し構造を有する高密度に配置された導波路を用いることにより、直線形のアーム導波路に比べ、同じ長さの薄膜ヒータ１５により加熱される導波路長が長くなるので、一度の加熱で温められる導波路領域が増え、位相差を変化させるために必要な電力の供給が抑えられる。
【００４７】
本実施形態では、第１または第２の実施形態の可変光減衰器と同様に、長手方向に垂直な方向に折り返し構造が整列した構成の１×Ｍ多ポートスイッチを例に挙げて説明したが、図９に示す構成としてもよい。すなわち、第３の実施形態の可変光減衰器と同様に、隣接するアーム導波路に形成された折り返し構造１３２の位置が導波路長手方向とは垂直な方向に整列しておらず、導波路長手方向に平行移動した位置に、それぞれの折り返し構造が重なることがないようにずらして配置されている構成の１×Ｍ多ポートスイッチとしてもよい。
【００４８】
（第５の実施形態）
図１１は、本発明の第５の実施形態にかかる可変波長フィルタの回路構成を示す。なお同図においては、配線は省略して示している。図１１に示すように、本実施形態の可変波長フィルタは、１本の入力導波路２８と、１本の出力導波路２９と、１入力Ｎ（Ｎは２以上の整数）出力のスラブ導波路２６およびＮ入力１出力のスラブ導波路２７と、これら２本のスラブ導波路２６、２７を連結する長さの異なるＮ本の光導波路（アレイ導波路）２５とを備えた光干渉回路であり、薄膜ヒータ１５下部のアレイ導波路２５には折り返し構造を有する高密度に配置された導波路が配置されている。薄膜ヒータ１５の下部のアレイ導波路２５の拡大図を図１０に示す。
【００４９】
本実施形態の可変波長フィルタの動作を説明する。１本の入力導波路から入射した光信号は、第１のスラブ導波路２１に入力され、第１のスラブ導波路２１においてＮ本のアレイ導波路２５に分配される。次に、Ｎ本のアレイ導波路２５を伝搬する光信号は、長さの異なるＮ本のアレイ導波路２５を伝搬した後に第２のスラブ導波路に入力される。長さの異なるＮ本のアレイ導波路２５を伝搬することで、第２のスラブ導波路において波長によって異なる位置に集光する。また、位相シフタとして機能するヒータ１５によって位相を変えることで集光位置を変化させることができるので、必要とする波長の集光位置を出力導波路２９との接続位置に調整することにより、特定の波長のみを取り出すことができる。
【００５０】
ところで可変波長フィルタでは、１本の出力導波路から特定の波長の光信号を出力させるためには、位相シフタとして機能する複数のヒータによる位相変化量をそれぞれ個別に所望の値にする必要がある。従来の可変波長フィルタでは、位相変化を与えるために加熱されるアーム導波路部分が直線形の導波路であり、加熱する部分の導波路の長さと同じ長さのヒータが必要となるため、位相差を変化させるために必要な電力が大きくなっていた。本実施形態の可変波長フィルタによれば、ヒータ１５の下に折り返し構造を有する高密度に配置された導波路を用いることにより、直線形のアーム導波路に比べ、同じ長さの薄膜ヒータ１５により加熱される導波路長が長くなるので、一度の加熱で温められる導波路領域が増え、位相差を変化させるために必要な電力の供給が抑えられる。よって、本実施形態の可変波長フィルタによれば、より高度な位相シフト制御とより大きな低消費電力化が期待できる。
【００５１】
また本実施形態の可変波長フィルタによれば、図１２の構成とすることができる。従来の可変波長フィルタでは、隣接するアーム導波路の間隔が非常に狭い場合には、熱干渉が発生し、一方のアーム導波路のみが加熱されず、加熱が不要なもう一方のアーム導波路も加熱されてしまい、消費電力の増大を招いていた。この問題を解消するべく、本実施形態の可変波長フィルタでは、図１２に示す構成、すなわち、第３の実施形態の可変光減衰器と同様に、隣接する導波路の長手方向とは垂直な方向において折り返し構造が重なることがないように、導波路の長手方向にずれた位置に折り返し構造を配置した構成とすることができる。この配置とすることにより、隣接するアーム導波路の間隔が非常に狭い場合でもアーム導波路間での熱干渉を抑制でき、温度むらによる設定位相変化量のずれの発生を防止できる。
【符号の説明】
【００５２】
１０ シリコンコア
１１ 石英系クラッド
１２、１４ 方向性結合器
１３ アーム導波路（光導波路）
１５ 薄膜ヒータ
１６ 配線
１７ 断熱溝
１０１ 入力光導波路
１０２ アーム導波路
１０３ ヒータ
１０４、１０５ 方向性結合器
２００ ＳＯＩ基板
２０１ 基板
２０２ 石英ガラス
２０３ シリコン、シリコン導波路
２０４ 石英系ガラス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を導波するための光導波路と、該光導波路の一部を加熱することで前記光信号に位相変化を与えるヒータとを備え、
前記ヒータの長手方向と前記光導波路の加熱される部分の長手方向とが同じ向きになるように重なって設けられており、前記光導波路の加熱される部分が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されることで、前記加熱される部分の光導波路が前記ヒータと重なる位置に高密度に設けられていることを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項２】
前記折り返し構造は、曲げ導波路により複数本の導波路を光学的に結合していることを特徴とする請求項１に記載の熱光学位相シフタ。
【請求項３】
前記折り返し構造は、反射手段により複数本の導波路を光学的に結合していることを特徴とする請求項１に記載の熱光学位相シフタ。
【請求項４】
前記ヒータの両側に、断熱性を高めるための溝を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタ。
【請求項５】
２本の光導波路のうち少なくとも１本の光導波路が請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有する２本の光導波路と、前記２本の光導波路のそれぞれによって連結される２つの方向性結合器とを備え、
前記２本の光導波路のそれぞれの一部が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されており、前記２本の光導波路の長手方向とは垂直な方向において前記折り返し構造が重なることがないように、前記２本の光導波路の長手方向にずれた位置に折り返し構造を配置することを特徴とする可変光減衰器。
【請求項６】
前記方向性結合器は、入力側に形成された第１の３ｄＢ結合器と、出力側に形成された第２の３ｄＢ結合器とであることを特徴とする請求項５に記載された可変光減衰器。
【請求項７】
光信号が入力される１本の入力導波路と、
前記１本の入力導波路に接続された１入力Ｎ出力の第１のスラブ導波路と、
前記第１のスラブ導波路の出力に接続されたＮ本のアレイ導波路と、
前記アレイ導波路に接続されたＮ入力Ｍ出力の第２のスラブ導波路と、
前記第２のスラブ導波路の出力に接続されたＭ本の出力導波路とを備え、
前記Ｎ本のアレイ導波路のそれぞれは、光路長が互いに等しく、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有し、該熱光学位相シフタによって前記Ｎ本のアレイ導波路を導波する光信号に位相変化を与えることによって、Ｍ本の出力導波路のうちの所望の出力導波路に前記光信号を出力することを特徴とする１×Ｍ光スイッチ。
【請求項８】
光信号が入力される１本の入力導波路と、
前記１本の入力導波路に接続された１入力Ｎ出力の第１のスラブ導波路と、
前記第１のスラブ導波路の出力に接続されたＮ本のアレイ導波路と、
前記アレイ導波路に接続されたＮ入力１出力の第２のスラブ導波路と、
前記第２のスラブ導波路の出力に接続された１本の出力導波路とを備え、
前記Ｎ本のアレイ導波路のそれぞれは、光路長が互いに異なり、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有し、該熱光学位相シフタによって前記Ｎ本のアレイ導波路を導波する互いに周波数の異なる光信号のそれぞれに位相変化を与えることによって、複数の周波数の光信号のうちの所望の周波数の光信号を前記出力導波路から出力することを特徴とする可変波長フィルタ。
【請求項１】
光信号を導波するための光導波路と、該光導波路の一部を加熱することで前記光信号に位相変化を与えるヒータとを備え、
前記ヒータの長手方向と前記光導波路の加熱される部分の長手方向とが同じ向きになるように重なって設けられており、前記光導波路の加熱される部分が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されることで、前記加熱される部分の光導波路が前記ヒータと重なる位置に高密度に設けられていることを特徴とする熱光学位相シフタ。
【請求項２】
前記折り返し構造は、曲げ導波路により複数本の導波路を光学的に結合していることを特徴とする請求項１に記載の熱光学位相シフタ。
【請求項３】
前記折り返し構造は、反射手段により複数本の導波路を光学的に結合していることを特徴とする請求項１に記載の熱光学位相シフタ。
【請求項４】
前記ヒータの両側に、断熱性を高めるための溝を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタ。
【請求項５】
２本の光導波路のうち少なくとも１本の光導波路が請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有する２本の光導波路と、前記２本の光導波路のそれぞれによって連結される２つの方向性結合器とを備え、
前記２本の光導波路のそれぞれの一部が、複数本の互いに平行な光導波路を光学的に結合して往復する１本の導波路となるようにした折り返し構造に形成されており、前記２本の光導波路の長手方向とは垂直な方向において前記折り返し構造が重なることがないように、前記２本の光導波路の長手方向にずれた位置に折り返し構造を配置することを特徴とする可変光減衰器。
【請求項６】
前記方向性結合器は、入力側に形成された第１の３ｄＢ結合器と、出力側に形成された第２の３ｄＢ結合器とであることを特徴とする請求項５に記載された可変光減衰器。
【請求項７】
光信号が入力される１本の入力導波路と、
前記１本の入力導波路に接続された１入力Ｎ出力の第１のスラブ導波路と、
前記第１のスラブ導波路の出力に接続されたＮ本のアレイ導波路と、
前記アレイ導波路に接続されたＮ入力Ｍ出力の第２のスラブ導波路と、
前記第２のスラブ導波路の出力に接続されたＭ本の出力導波路とを備え、
前記Ｎ本のアレイ導波路のそれぞれは、光路長が互いに等しく、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有し、該熱光学位相シフタによって前記Ｎ本のアレイ導波路を導波する光信号に位相変化を与えることによって、Ｍ本の出力導波路のうちの所望の出力導波路に前記光信号を出力することを特徴とする１×Ｍ光スイッチ。
【請求項８】
光信号が入力される１本の入力導波路と、
前記１本の入力導波路に接続された１入力Ｎ出力の第１のスラブ導波路と、
前記第１のスラブ導波路の出力に接続されたＮ本のアレイ導波路と、
前記アレイ導波路に接続されたＮ入力１出力の第２のスラブ導波路と、
前記第２のスラブ導波路の出力に接続された１本の出力導波路とを備え、
前記Ｎ本のアレイ導波路のそれぞれは、光路長が互いに異なり、請求項１から３のいずれかに記載の熱光学位相シフタを有し、該熱光学位相シフタによって前記Ｎ本のアレイ導波路を導波する互いに周波数の異なる光信号のそれぞれに位相変化を与えることによって、複数の周波数の光信号のうちの所望の周波数の光信号を前記出力導波路から出力することを特徴とする可変波長フィルタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−３４４２（Ｐ２０１３−３４４２Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３６２９９（Ｐ２０１１−１３６２９９）
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【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２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【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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