JPH05313109A

JPH05313109A - 導波路型偏波制御器

Info

Publication number: JPH05313109A
Application number: JP11725192A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Inoue; 靖之井上; Masayuki Okuno; 将之奥野; Masao Kawachi; 正夫河内; Noboru Takachio; 昇高知尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1992-05-11
Filing date: 1992-05-11
Publication date: 1993-11-26

Abstract

(57)【要約】【目的】光導波回路の個別回路ごとの偏波無依存化の
ための作業の低減を図る。【構成】任意の偏波状態の光を互いに直交する偏波面
を有する直線偏波に変換する光導波路型偏波ビームスプ
リッタ１１と、この偏波ビームスプリッタ１１の２つの
出力光導波路に結合する２つの光導波路２２，２３のう
ち一方の光導波路２２に偏波モード変換用非晶質シリコ
ン応力付与膜２３を有して当該光導波路２２を伝搬する
直線偏波を直交する他の直線偏波に変換する偏波モード
変換器１２と、光導波路２３に設けられてその光路長を
制御する光位相シフタ１３と、２つの光導波路２２，２
３の出力光を任意の結合率で結合するチューナブルカプ
ラ１４とで導波路型偏波制御器を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信又は光信号処理
の分野で用いられる導波路型偏波制御器に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信の一層の普及のために
は、受・発光素子の高性能化、低価格化に加えて、光分
岐結合器、光合分波器、光スイッチなどの各種光集積回
路部品の開発が不可欠である。そして、シリコン（Ｓ
ｉ）基板上に作製されたガラス光導波回路はその光損失
が小さく実用的な光集積回路部品として期待されてい
る。

【０００３】しかしながら、このガラス光導波回路は、
作製工程において発生する熱応力のために複屈折を有す
るので、偏波依存性を有するという問題がある。すなわ
ち、Ｓｉ基板上のガラス光導波回路は、ガラスの透明化
熱処理後の冷却過程においてＳｉ基板とガラスとの熱膨
張係数差による熱応力が発生するので、その結果光導波
路に応力複屈折が生じる。この応力複屈折は３×１０^-4
程度であり、市販されている偏波保持ファイバと同等の
値である。ただし、ここで複屈折としては、ＴＭ光の実
効屈折率ｎ_TMとＴＥ光の実効屈折率ｎ_TEとの差と定義す
る（ＴＥ光とは基板面に対して平行な電界成分を持つ
光、ＴＭ光とは基板面に対して垂直な電界成分を持つ光
である）。つまり、ガラス光導波回路の入射光のＴＥ成
分とＴＭ成分とは、その回路の中で互いに干渉すること
なく、それぞれ個別に伝搬する。しかも、非対称なマッ
ハツェンダ干渉計においては、そのアーム導波路に複屈
折があるため、ＴＥ光とＴＭ光とでアーム導波路の光路
長差が僅かに異なるように見えてしまう。したがって、
同じ光回路において、ＴＥ光の伝達特性とＴＭ光の伝達
特性とに違いが生じ、この結果、入射光の偏波状態によ
って光回路の伝達特性が変化するという問題がある。

【０００４】そして、このガラス光導波回路の偏波依存
性解消法については、特開平０１−７７００２号公報に
応力付与膜のレーザトリミングによる方法が提案されて
いる。これは、応力付与膜のトリミングにより光導波路
の応力複屈折を制御し、光回路の偏波依存性を解消する
方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、導波路の光損
失が大幅に減少し、光回路の大規模化が進むにつれて、
個別回路ごとに偏波無依存化のためのレーザトリミング
を行うことが、光導波回路作製に要する時間の大部分を
占めるようになってきた。例えば、非対称マッハツェン
ダ干渉計を１５個集積化した１６波の光周波数合分波器
を図５に示す。同図に示すように、光周波数合分波器１
００は、１５個の非対称マッハツェンダ干渉計１０１〜
１１５を有している。これら１５個の非対称マッハツェ
ンダ干渉計１０１〜１１５の偏波依存性を前述の通り個
別に応力付与膜１１６のレーザトリミングで解消するこ
とは原理的には可能である。しかしながら、それに要す
る労力は膨大なものであり、このような光集積回路部品
の製造を妨げる大きな要因になっている。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑み、光導波回
路の個別回路ごとの偏波無依存化のためのレーザトリミ
ング作業工程等の低減を図ることができる導波路型偏波
制御器を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る導波路型偏波制御器は、光伝搬作用を有する光
導波路と、該光導波路の光路長を制御する光位相シフタ
と、該光導波路の複屈折を制御する応力付与膜とからな
り、２つの出力光導波路から互いに直交する偏波面を有
する直線偏波を出力する光導波路型偏波ビームスプリッ
タと、この光導波路型偏波ビームスプリッタの２つの出
力光導波路に結合する２つの光導波路を有して何れか一
方の光導波路を伝搬する直線偏波を直交する他の直線偏
波に変換する偏波モード変換器と、前記２つの光導波路
の少なくとも一方に設けられて当該光導波路の光路長を
制御する光位相シフタと、前記２つの光導波路の光を任
意の結合率で結合するチューナブルカプラと、からなる
ことを特徴とする。

【０００８】

【作用】前記構成の導波路型偏波制御器に光を入射する
と、光導波路型偏波ビームスプリッタで互いに直交する
２つの直線偏波（ＴＥ光及びＴＭ光）に分離されて偏波
モード変換器に導かれて、その一方の直線偏波が直交す
る他の直線偏波に変換され、その後、２つの直線偏波
（偏波面が一致するＴＥ光あるいはＴＭ光）はチューナ
ブルカプラで合波されて出力される。すなわち、導波路
型偏波制御器では、その出力を常にＴＥ光又はＴＭ光の
何れかの直線偏波に制御することができる。

【０００９】かかる導波路型偏波制御器を他の光導波回
路と共に集積することによって、光導波回路に偏波依存
性があっても、光導波回路にはＴＥ光又はＴＭ光の何れ
か一方の直線偏波しか入射されないため実質上問題は無
くなる。つまり、従来同一基板上に集積された複数の光
導波回路に対して個別に偏波無依存化のためのレーザト
リミングが必要であったものが、導波路型偏波制御器を
同一基板上に集積することによって不要になる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１１】図１には一実施例に係る導波路型偏波制御
器の平面図、図２〜図４にはそのII−II線、III −III
線、IV−IV線の拡大断面図を示す。

【００１２】これらの図面に示すように、この導波路型
偏波制御器は、導波路型偏波ビームスプリッタ１１と、
偏波モード変換器１２と、熱光学位相シフタ１３と、チ
ューナブルカプラ１４とからなる。導波路型偏波ビーム
スプリッタ１１は、シリコン基板１５上に形成した２本
のシングルモードガラス光導波路１６，１７の２箇所に
結合率５０％の方向性結合器１８，１９を配置して導波
路型マッハツェンダ干渉計を構成し、そのアームである
光導波路１６，１７の上部にそれぞれ導波路複屈折制御
用の非晶質シリコン応力付与膜２０及び熱光学位相シフ
タ２１を形成したものである。なお、光導波路１６，１
７の一端が光入出力ポート１６ａ，１７ａとなってい
る。

【００１３】光導波路１６，１７の他端には偏波モード
変換器１２を構成する光導波路２２，２３が連続的に形
成されている。そして、一方の光導波路２２の上方には
その幅方向に非対称に、偏波モード変換用の非晶質シリ
コン応力付与膜２４が設けられている。また、光導波路
２１には結合率１％の方向性結合器２５を介して光導波
路２６が結合されている。なお、光導波路２６の両端は
光入出力ポート２６ａ，２６ｂとなっている。一方の光
導波路２３の上方には熱光学位相シフタ１３が設けられ
ているが、これはチューナブルカプラ１３を正常に動作
させるために用いるものである。

【００１４】また、チューナブルカプラ１４は、光導波
路１６，１７に連続して形成される２本の光導波路２
７，２８の２箇所に結合率５０％の方向性結合器２９，
３０を設けた導波路型マッハツェンダ干渉計からなり、
その一方のアームである光導波路３０上方に熱光学位相
シフタ３１が設けられている。そして、光導波路２７，
２８の一端が光入出力ポート２７ａ，２８ａとなってい
る。

【００１５】次に、製造方法を示しながら各構成をさら
に詳述する。導波路型偏波ビームスプリッタ１１の製造
方法については、特開昭６４−７７００２号公報に、ま
たその特性については電子情報通信学会１９９０年秋期
全国大学Ｃ−２１５に、それぞれ詳しく記載されてい
る。導波路型偏波ビームスプリッタ１１を製造する場
合、シリコン基板１５上に火災堆積法とフォトリソグラ
フィ及びリアクティブイオンエッチング法とにより埋め
込みシングルモードガラス光導波路１６，１７を形成す
る。なお、コアガラスには周囲のクラッドガラスより屈
折率が０．７５％高くなるようにＧｅをドープしてい
る。また、光導波路１６，１７上のクラッドガラス表面
に、非晶質シリコン応力付与膜２０及び熱光学位相シフ
タ２１を部分的に堆積する。ここで、非晶質シリコン応
力付与膜２０はスパッタ法及びリアクティブイオンエッ
チング法により形成し、また、熱光学位相シフタ２１と
しては、蒸着法及びリフトオフ法によって形成したＣｒ
膜を用いた。なお、熱光学位相シフタ２１による位相シ
フトは、当該熱光学位相シフタ２１に適当な電力を供給
することにより行う。

【００１６】導波路型偏波ビームスプリッタ１１の応力
付与膜２０のトリミングによる調整は次のようにして行
う。すなわち、マッハツェンダ干渉計の２本のアームの
光路長差を、例えばＴＥ光にとって、Ｎ・λ（Ｎは整
数、λは光波長）に、ＴＭ光にとって（Ｎ＋１／２）・
λになるよう応力付与膜２０と熱光学位相シフタ２１と
を用いて設定する。このとき光導波路１７から入射され
た光のうちＴＥ光成分は導波路２２に出力され、ＴＭ光
成分は導波路２３に出力される。そして、偏波ビームス
プリッタ１１の応力付与膜２０のトリミングは、モニタ
用の光導波路２６の入出力ポート２６ｂから入射された
光を、方向性結合器２５及び光導波路２２を介して偏波
ビームスプリッタ１１に入射し、その透過光を光導波路
１６または１７を介して検出することにより行う。

【００１７】偏波モード変換器１２では非晶質シリコン
応力付与膜２３を光導波路２１の幅方向に非対称に設け
ることにより、光導波路２２の応力主軸を基板面に対し
て４５度に傾け、ＴＥ，ＴＭ偏波モード変換を行うよう
にしている。この偏波モード変換器１２は特開昭６３−
１４７１１４号公報に記載された導波路型光位相板を応
用したものである。なお、特開昭６３−１４７１１４号
公報の導波路型光位相板では、光導波路の応力主軸を傾
けるために応力解放溝を用いているが、本発明において
も応力解放溝を用いることができる。しかし、微調整が
容易であるという点においては、応力付与膜を用いた偏
波モード変換器の方がより高性能なものを実現できる。

【００１８】偏波モード変換器１２での微調整は次のよ
うにして行う。まず、チューナブルカプラ１４の結合率
を０％にした状態でモニタ用の光導波路２６を光入出力
ポート２６ｂからＴＥ又はＴＭの直線偏波を入射する。
この直線偏波は偏波モード変換器１２の光導波路２２に
入射し、応力付与膜２４の下方を通過し、偏波モード変
換された光が方向性結合器２５を介して光入出力ポート
２６ａから出力される。この出力光の偏波状態を観測す
ることによって完全に偏波変換されているかどうかがわ
かる。実際には応力付与膜２４を余分につけておき徐々
にレーザトリミングを行うことによって、完全に偏波モ
ード変換される状態に設定する。本実施例では偏波モー
ド変換器にＴＥ光が入射されたとき、この光はＴＭモー
ドに変換されて光導波路２６の光入出力ポート２６ａか
ら出力される。

【００１９】次に、チューナブルカプラ１４の結合率の
制御について説明する。なお、熱光学位相シフタ１３，
３１の構成は熱光学位相シフタ２０と同様である。

【００２０】２つの３ｄＢ方向性結合器２９，３０を使
用したマッハツェンダ干渉計のチューナブルカプラ１４
の伝達行列を数１に示す。ただし、αは熱光学位相シフ
タ３１による位相シフト量である。

【００２１】

【数１】一つの入力ポートから入射される光は２つの出力ポート
に数２に示す位相変化及び振幅変化を受けた状態で出力
される。ただし、ωは信号光の光角周波数である。

【００２２】

【数２】

【００２３】ここで２出力の光の相対的な位相差は０で
あることが次の数３からわかる。

【００２４】

【数３】

【００２５】また、熱光学位相シフタ３１による０から
πまでの位相シフト量αで、２出力の光パワー比が無限
大から０までの範囲で変化することが以下数４の式から
わかる。また、熱光学位相シフタ３１による位相シフト
量αと２つの光出力パワー比を図５に示す。

【００２６】

【数４】

【００２７】チューナブルカプラ１４は相反素子である
から、１つのポートから入射した光を２つに分岐するこ
とも、また逆に２つのポートから入射した光を１つに合
波することも可能である。ただし、１つの光を２つに分
岐したときにその２つの光の相対的な位相差が０である
ことから、逆に２つの光を合波するときにも２つの入射
光の位相が相対的に等しいことが必要である。これを実
現するために熱光学位相シフタ１３によって位相シフト
量βを与えて、２つの光の相対的な位相差を０にする。
位相シフト量βは、光入出力ポート１６ａに入射される
ＴＥ光とＴＭ光との位相差を補償するように制御する必
要がある。また、熱光学位相シフタ３１による位相シフ
タ量αは、光入出力ポート１６ａに入射されるＴＥ成分
とＴＭ成分とのパワー比によって決定する必要がある。
これは例えば光入出力ポート２８ａからの出力光を光検
出器で検出して、その出力が最小になるように位相シフ
ト量αを決めれば良い。

【００２８】以上説明した実施例では、導波路型偏波ビ
ームスプリッタ１１、偏波モード変換器１２及び熱光学
位相シフタ１３、並びにチューナブルカプラ１４を同一
基板上に作製することにより、低損失な偏波制御器を実
現している。

【００２９】上記実施例の偏波制御器の一例として、Ｔ
Ｅモード、ＴＭモードの光を等量ずつ励起するよう直線
偏光の光を４５度傾けて光入出力ポート１６ａから入射
したときの熱光学位相シフタ２１，１３，３１への供給
電力と出力光との関係を表１に示す。表１に示す結果よ
り、熱光学位相シフタ２１，１３，３１に適当な電力を
与えることにより光入出力ポート２７ａ又は２８ａから
ＴＥ又はＴＭ直線偏波が出力できることがわかる。

【００３０】

【表１】

【００３１】図６には他の実施例に係る偏波制御器の構
成を、図７にはそのVII −VII 線拡大断面図を示す。な
お、図１〜図４と同一作用を示す部材には同一符号を付
して重複する説明は省略する。

【００３２】本実施例の偏波モード変換器１２Ａは、偏
波モード変換を応力制御によって行うのではなく、波長
板としての複屈折媒体である水晶薄膜３２により行うも
のである。さらに詳言すると、光導波路２２の途中に
は、当該導波路２２を横断する溝３３が形成されてお
り、この溝３３に水晶薄膜３２が挿入されている。ここ
で、溝３３はリソグラフィと反応性エッチング法とによ
り作製したが、勿論これに限定されず、例えばダイヤモ
ンド砥粒を塗布したカッタで溝を切ることも可能であ
る。なお、カッタによる方法では短時間に溝を作製する
ことができるが、光導波路２２のみを横断する溝を作製
することはできず、光導波路２６や光導波路２３も横断
する溝が形成されています。しかし、このような溝をつ
くると、光導波路２２と光導波路２３で光損失が同じよ
うに起こるという意味で好都合である。

【００３３】図６，７に示す導波路型偏波制御器の特性
は、上記実施例のそれとほぼ同等であったが、光挿入損
失に関してだけ約１ｄＢ損失が大きかった。

【００３４】図１〜４に示した導波路型偏波制御器の使
用例を図８に示す。同図に示すように、本実施例は導波
路型偏波制御器３４と１６波の光周波数合分波器３５と
を同一基板上に集積したものである。この場合、導波路
型偏波制御器３４の光入出力ポート１６ａから入射した
任意の偏波状態の光は、導波路型偏波制御器３４によっ
てＴＥ又はＴＭ直線偏波に変換されて、光導波路２８か
ら１６波の光周波数合分波器３５に入射される。したが
って、光周波数合分波器３５の中ではＴＥ又はＴＭの直
線偏波しか存在しないため、従来のように各非対称マッ
ハツェンダ干渉計の偏波依存性を解消する必要がなく、
例えば複屈折制御用のトリミングが不要となる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の導波路型
偏波制御器は、任意の偏波状態の光を一定の直線偏波に
変換することができ、また、他の光集積回路と共に同一
基板に集積することができるので、従来、個別の光集積
回路に対してその偏波依存性を解消する複屈折制御が不
要になるという効果を奏する。したがって、導波路型光
部品の製造時間及びコストを大幅に下げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係る導波路型偏波制御器の構成を示
す平面図である。

【図２】図１のII−II線拡大断面図である。

【図３】図１のIII −III 線拡大断面図である。

【図４】図１のIV−IV線拡大断面図である。

【図５】チューナブルカプラ１４における熱光学位相シ
フタ３１による位相シフト量αとクロスポート及びスル
ーポート光出力比との関係を示すグラフである。

【図６】他の実施例に係る導波路型偏波制御器の構成を
示す平面図である。

【図７】図６のVII −VII 線拡大断面図である。

【図８】一実施例の導波路型偏波制御器の使用例を示す
説明図である。

【図９】従来技術に係る１６波の光周波数合分波器を示
す説明図である。

【符号の説明】

１１導波路型偏波ビームスプリッタ１２偏波モード変換器１３，２１，３１熱光学位相シフタ１４チューナブルカプラ１５シリコン基板１６，１７，２２，２３，２６，２７，２８光導波路１８，１９，２９，３０結合率５０％の方向性結合器２０導波路複屈折制御用の非晶質シリコン応力付与膜２４偏波モード変換用の非晶質シリコン応力付与膜２５結合率１％の方向性結合器３２水晶薄膜３３溝３４導波路型偏波制御器３５１６波光周波数合分波器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高知尾昇東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光伝搬作用を有する光導波路と、該光導
波路の光路長を制御する光位相シフタと、該光導波路の
複屈折を制御する応力付与膜とからなり、２つの出力光
導波路から互いに直交する偏波面を有する直線偏波を出
力する光導波路型偏波ビームスプリッタと、この光導波路型偏波ビームスプリッタの２つの出力光導
波路に結合する２つの光導波路を有して何れか一方の光
導波路を伝搬する直線偏波を直交する他の直線偏波に変
換する偏波モード変換器と、前記２つの光導波路の少なくとも一方に設けられて当該
光導波路の光路長を制御する光位相シフタと、前記２つの光導波路の光を任意の結合率で結合するチュ
ーナブルカプラと、からなることを特徴とする導波路型
偏波制御器。
【請求項２】請求項１において、光導波路が基板上に
形成されたガラス光導波路であり、光位相シフタがガラス光導波路上に配置された薄膜ヒー
タからなる熱光学位相シフタであり、応力付与膜がガラス導波路上に配置された非晶質シリコ
ン膜であり、一方、光導波路型偏波ビームスプリッタが、そのアーム
導波路上に前記熱光学位相シフタ及び応力付与膜を有す
るマッハツェンダ干渉計であり、また、チューナブルカプラが、そのアーム導波路上に熱
光学位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計である、
ことを特徴とする導波路型偏波制御器。
【請求項３】請求項１又は２において、偏波モード変
換器が、光導波路近傍に当該光導波路に対して幅方向に
非対称に配置された応力付与膜又は応力解放溝によりモ
ード変換することを特徴とする導波路型偏波制御器。
【請求項４】請求項１又は２において、偏波モード変
換器が、光導波路を横断する溝内に挿入された波長板に
よりモード変換することを特徴とする導波路型偏波制御
器。