JP2007047326A - Thermo-optic optical modulator and optical circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱光学光変調器および光回路に関し、より詳細には、光通信分野で用いられる光導波路回路である、熱光学効果を利用し、低損失かつ低消費電力を実現する熱光学光変調器および光回路に関するものである。 The present invention relates to a thermo-optic light modulator and an optical circuit, and more particularly, a thermo-optic light that is an optical waveguide circuit used in the field of optical communication and realizes low loss and low power consumption using a thermo-optic effect. The present invention relates to a modulator and an optical circuit.
平面光回路技術を用いたデバイスは、光通信分野においてキーデバイスとなっている。その中でも、熱位相変調器を用いた光スイッチ、光減衰器は特に注目されている。これらのデバイスに用いられる熱光学光変調器では、導波路上部に形成された薄膜ヒータに電力を印加してコアの温度を上昇さることで光の位相制御を行う。ヒータからの熱により、変調領域の温度を上昇させることで、上記変調領域の屈折率が増大し、その変化量と長さに対応した光路長が変化することで出射端での位相が変調される。 Devices using planar optical circuit technology have become key devices in the optical communication field. Among them, an optical switch and an optical attenuator using a thermal phase modulator are particularly attracting attention. In the thermo-optic light modulator used in these devices, the phase of light is controlled by increasing the temperature of the core by applying electric power to the thin film heater formed on the waveguide. By increasing the temperature of the modulation region by the heat from the heater, the refractive index of the modulation region is increased, and the optical path length corresponding to the amount and length of the change is changed to modulate the phase at the output end. The
熱位相変調器を用いた回路で、最も用いられる回路構成は、導波路内に入射した光を3dBカップラーにて分岐し、分岐した少なくとも一方の導波路上にヒータを設けることによって構成された熱光学光変調器に接続し、該熱光学光変調器から出射した光を、再度カップラーにて結合させるマッハツェンダー干渉計回路(MZI回路)である。分岐した少なくとも一方を位相変調器に接続し、他方に比べ波長の半波長に対応する位相差を与えることで、出射端での光強度変調を行う。 In the circuit using the thermal phase modulator, the circuit configuration most used is a thermal circuit configured by branching light incident on the waveguide by a 3 dB coupler and providing a heater on at least one of the branched waveguides. This is a Mach-Zehnder interferometer circuit (MZI circuit) that is connected to an optical light modulator and couples light emitted from the thermo-optic light modulator by a coupler again. By connecting at least one of the branches to a phase modulator and giving a phase difference corresponding to a half wavelength of the wavelength compared to the other, light intensity modulation at the output end is performed.
この平面光回路技術を用いた熱光学光変調器の最大の問題点は、消費電力にある。一つの熱光学光変調器によって消費される電力は、典型的な構造では450mW程度になる。これを用いて、1×32、16×16等の大規模スイッチを実現しようとすると、回路全体の消費電力は非常に大きなものとなってしまう。そこで、消費電力を下げることが強く求められている。 The biggest problem of a thermo-optic light modulator using this planar optical circuit technology is power consumption. The power consumed by one thermo-optic light modulator is about 450 mW in a typical structure. If this is used to realize a large-scale switch of 1 × 32, 16 × 16, etc., the power consumption of the entire circuit becomes very large. Therefore, there is a strong demand to reduce power consumption.
さまざまな方法が提案されているなか、消費電力を下げる一つの方法として、変調領域に屈折率の温度係数(屈折率温度係数とも呼ぶ)の大きな材料を用いることが考えられる。
上記MZI回路において、2つの連結導波路間の位相差をΔψとすると、Δψは、
Δψ=2π・L・dn/dT・ΔT/λ (1)
で与えられる。
Among various methods proposed, as one method for reducing power consumption, it is conceivable to use a material having a large refractive index temperature coefficient (also referred to as a refractive index temperature coefficient) in the modulation region.
In the MZI circuit, assuming that the phase difference between two coupled waveguides is Δψ, Δψ is
Δψ = 2π · L · dn / dT · ΔT / λ (1)
Given in.
ここで、Lはヒータ下部にある連結導波路長、dn/dTは連結導波路の屈折率の温度係数、ΔTは、2本の連結導波路間の温度差、λは光の波長である。熱光学光変調器では、ヒータにより加えられた熱により、式(1)中のΔTが上昇することで位相差を与えている。ここで消費電力を下げるためには、dn/dTを大きなものにすることが有効といえる。一般的な石英材料の場合、dn/dTは約1×10‐5/℃程度であるのに対し、例えば結晶Siの場合、dn/dTは16×10‐5/℃程度と一桁以上も大きい。石英系材料からのみ構成される構造の熱光学光変調器において、ある波長で位相をπ回転させるのに必要な電力が100mWであったとすると、単純に計算すればSiに材料を置き換えれば6mW程度の消費電力でよいことになり、大幅に消費電力を低減することが可能である。 Here, L is the length of the connected waveguide under the heater, dn / dT is the temperature coefficient of the refractive index of the connected waveguide, ΔT is the temperature difference between the two connected waveguides, and λ is the wavelength of light. In the thermo-optic light modulator, the phase difference is given by increasing ΔT in the equation (1) by the heat applied by the heater. Here, it can be said that increasing dn / dT is effective in reducing power consumption. In the case of a general quartz material, dn / dT is about 1 × 10 −5 / ° C., whereas in the case of crystalline Si, for example, dn / dT is about 16 × 10 −5 / ° C. large. In a thermo-optic light modulator having a structure composed only of a quartz-based material, assuming that the power required to rotate the phase by π at a certain wavelength is 100 mW, it is about 6 mW if the material is replaced with Si by simple calculation. Therefore, the power consumption can be significantly reduced.
また近年、アレイ導波路回折格子は、波長多重伝送を実現する上でキーデバイスとなっている。このテバイスにおいて、近年各チャンネルの光強度の平坦化が必須であり、多チャンネルの光可変減衰器と共に集積されることが多い。特に平面光回路を用いて作製した熱光学型光可変減衰器は、熱光学光変調器を用いて出力光強度を調整するデバイスであり、アレイ導波路回折格子との集積が容易であることから広く用いられている。さらに、これらの集積回路では、コストを抑え作製するために、一括してウエハー内に同時に作製することで、コストダウンと回路の小型化を行うことが強く求められている。 In recent years, arrayed waveguide diffraction gratings have become key devices for realizing wavelength division multiplexing transmission. In this device, in recent years, it is essential to flatten the light intensity of each channel, and it is often integrated with a multi-channel optical variable attenuator. In particular, a thermo-optic variable optical attenuator fabricated using a planar optical circuit is a device that adjusts the output light intensity using a thermo-optic light modulator and is easy to integrate with an arrayed waveguide grating. Widely used. Further, in these integrated circuits, in order to reduce the cost, it is strongly required to simultaneously reduce the cost and reduce the size of the circuit by simultaneously manufacturing them in a wafer.
上述したように、dn/dTの絶対値が大きな材料を用いて熱光学光変調器を作製すれば、消費電力に対して大きなメリットがある。単純には、dn/dTがn倍の材料を用いれば、同じ構造の熱光学光変調器であれば消費電力は1/n倍にすることが可能となる。導波路としてBi酸化物を用いた場合、石英に比べて3倍ほど大きなdn/dTを示す。よって、単純には、消費電力を1/3にすることが可能である。 As described above, if a thermo-optic light modulator is manufactured using a material having a large absolute value of dn / dT, there is a great merit for power consumption. Simply, if a material having a dn / dT of n times is used, the power consumption can be reduced to 1 / n times if the thermo-optic light modulator has the same structure. When Bi oxide is used as the waveguide, the dn / dT is about 3 times larger than that of quartz. Therefore, it is possible to simply reduce the power consumption to 1/3.
しかしながら、研究レベルでは存在するものの、これまでdn/dTの絶対値が大きな材料を用いた熱光学光変調器が市販されているデバイスに応用される例は少ない。回路すべてを、dn/dTの絶対値が大きい材料を用いて作製すると伝播損失が増大し、回路損失が大きくなる問題があるためである。また、石英系平面光回路は、一般的にシングルモードファイバーとの接続に優れているが、dn/dTの大きな材料は一般的に屈折率も高く、シングルモードファイバーとの結合損失が大きい、さらに反射が発生するといった問題がある。屈折率が高いということは、シングルモードを達成する導波路コアのサイズも小さくなることを意昧する。 However, although it exists at the research level, there have been few examples of application to a device in which a thermo-optic light modulator using a material having a large absolute value of dn / dT is commercially available. This is because if all the circuits are manufactured using a material having a large absolute value of dn / dT, there is a problem that propagation loss increases and circuit loss increases. In addition, a quartz-based planar optical circuit is generally excellent in connection with a single mode fiber, but a material having a large dn / dT generally has a high refractive index and a large coupling loss with the single mode fiber. There is a problem that reflection occurs. A high refractive index means that the size of the waveguide core that achieves the single mode is also reduced.
そのため、加工トレランスも厳しくなり、安定して作製できないという問題がある。コアサイズが小さい場合は、MZI回路を構成する3dBカップラーを安定的に作製することが難しくなるといった問題がある。3dBカップラーとして方向性結合器を用いたものが石英系平面光回路では多く用いられる。原理損がなく、石英系材料のディメンジョンサイズのコアでは作製が容易であるためである。一方、多モード干渉導波路(MMI)が考えられているが、原理損があり、安定的に製造することが困難である、という問題がある。 For this reason, there is a problem that processing tolerance becomes strict and stable production is impossible. When the core size is small, there is a problem that it is difficult to stably manufacture the 3 dB coupler constituting the MZI circuit. A quartz planar optical circuit is often used that uses a directional coupler as a 3 dB coupler. This is because there is no loss of principle, and a core of a dimensional size made of quartz material is easy to manufacture. On the other hand, a multimode interference waveguide (MMI) has been considered, but there is a problem that it has a principle loss and is difficult to manufacture stably.
また、dn/dTが大きくとも屈折率が高い材料のみで回路を構成すると、ファイバー接続点での反射が発生し問題となる。さらに近年、石英系材料を用いた平面光回路の集積化が進むなか、熱光学光変調器をアレイ導波路回析格子等の回路と集積し一括して作製する際、dn/dTの絶対値が大きな材料だけを用いて一括集積することは非常に困難である。 In addition, if the circuit is composed only of a material having a high refractive index even if dn / dT is large, reflection at the fiber connection point occurs, which becomes a problem. In recent years, as integration of planar optical circuits using quartz-based materials has progressed, the absolute value of dn / dT when a thermo-optic light modulator is integrated with a circuit such as an arrayed-waveguide diffraction grating and manufactured together. However, it is very difficult to collect and collect using only a large material.
回路長さがlで、導波路の実行屈折率がnの導波路を考えた場合、光路長L1は、
L1=n×l (2)
で与えられる。この光路長の温度に対する変化量は式(2)を温度Tにて微分することで得られ、
dL1/dT=n・dl/dT+l・dn/dT (3)
となる。石英系導波路をSi基板上に作製した場合、この光路長の温度に対する変化量は正の値となり、アレイ導波路回折格子を作製した場合、中心波長は環境温度の変化と共に変化する。
Considering a waveguide with a circuit length of l and an effective refractive index of the waveguide of n, the optical path length L 1 is
L 1 = n × l (2)
Given in. The amount of change of the optical path length with respect to temperature can be obtained by differentiating equation (2) with respect to temperature T.
dL 1 / dT = n · dl / dT + l · dn / dT (3)
It becomes. When a quartz-based waveguide is fabricated on a Si substrate, the amount of change of the optical path length with respect to temperature becomes a positive value, and when an arrayed waveguide grating is fabricated, the center wavelength varies with changes in environmental temperature.
光可変減衰器だけを考慮すると、先に述べたように消費電力低減の観点からdn/dTの大きな材料を用いて光可変減衰器を作製するのが好ましい。しかしながら、アレイ導波路回析格子は、式(3)より光可変減衰器と背反するdn/dTの小さな材料を用いてアレイ導波路回折格子を作製するのが中心波長の変動を抑えられる点で好ましい。 Considering only the optical variable attenuator, as described above, it is preferable to manufacture the optical variable attenuator using a material having a large dn / dT from the viewpoint of reducing power consumption. However, for the arrayed waveguide grating, it is possible to suppress fluctuations in the center wavelength by fabricating the arrayed waveguide grating using a material having a small dn / dT that contradicts the variable optical attenuator from Equation (3). preferable.
以上説明したように、アレイ導波路回析格子を作製する材料としては、熱光学光変調器とは相反するdn/dTの絶対値の小さな材料を用いることが好ましい。例え、材料の吸収、散乱等による損失が小さく、dn/dTが大きい材料であっても、その材料のみを用いて、アレイ導波路回折格子と熱光学光変調器とを同一基板に集積することは難しいのである。石英系材料からなるアレイ導波路回析格子の場合、中心波長は、温度が1℃変わると0.01nm程度変化してしまう。そこで、通常、温度が変化しないように、ペルチェ素子を用いて温度制御しながらアレイ導波路回路格子を使用しているが、温度無依存化して、温度制御なしにアレイ導波路回折格子を用いるのが、消費電力やデバイスのコスト面からも望ましい。 As described above, it is preferable to use a material having a small absolute value of dn / dT, which is contrary to the thermo-optic light modulator, as a material for forming the arrayed waveguide grating. For example, an arrayed waveguide grating and a thermo-optic light modulator can be integrated on the same substrate using only that material even if the material has a small loss due to absorption, scattering, etc. and a large dn / dT. Is difficult. In the case of an arrayed waveguide grating made of a quartz material, the center wavelength changes by about 0.01 nm when the temperature changes by 1 ° C. Therefore, the array waveguide circuit grating is normally used while controlling the temperature using a Peltier element so that the temperature does not change. However, the array waveguide diffraction grating is used without temperature control because it is temperature independent. However, it is also desirable from the viewpoint of power consumption and device cost.
そこで、温度無依存化の方法として、非特許文献1に示されるような石英にくらべ符号が逆で、大きなdn/dTをもつシリコーン樹脂を、アレイ導波路部分に設けた溝に流しこみ、光路長の温度変化を補償する技術が知られている。しかしながら、この従来方法を、熱光学光変調器の低消費電力化を目的にdn/dTの大きな材料からなるアレイ導波路回析格子に適用すると、損失が増大してしまう。材料損失もさることながら、大きなdn/dTを打ち消すためにより多くのシリコーン樹脂が必要となるのでシリコーン樹脂溝の幅は広くなり、該箇所での損失が著しく増大してしまう。また、先述したように、dn/dTの大きな材料の多くは、屈折率も大きく、上記樹脂溝箇所に導波路より放射した際の回折損失がさらに大きくなってしまう。
Therefore, as a method for making temperature independence, a silicone resin having a large dn / dT having a reverse sign compared to quartz as shown in
また、特許文献1には、温度無依存化の方法として、TiO2/SiO2系材料を用いたアサーマルアレイ導波路回折格子が示されている。この方法は、TiO2/SiO2系材料が負の屈折率温度係数を持つということから、Si基板上に作製した石英系のアレイ導波路回折格子の中心波長の温度依存性をキャンセルすることが可能である点に着目したものである。
先に示した式(3)の右辺の第一項目は、基板が温度により伸びることに対応する。そして第二項は、屈折率が温度によって変化することに対応する。Si基板上に形成された石英系導波路では、第一項は、Si基板の熱膨張に支配され正の値を持つ。そこで第二項を負の値として、膨張による光路長の変化をキャンセルし、式(3)の右辺を0または0に近づけることで温度無依存アレイ導波路回析格子となる。 The first item on the right side of Equation (3) shown above corresponds to the elongation of the substrate with temperature. The second term corresponds to the refractive index changing with temperature. In the silica-based waveguide formed on the Si substrate, the first term is controlled by the thermal expansion of the Si substrate and has a positive value. Therefore, the second term is set to a negative value, the change in the optical path length due to expansion is canceled, and the right side of Equation (3) is brought to 0 or close to 0, thereby forming a temperature-independent arrayed waveguide diffraction grating.
TiO2/SiO2系ガラスは、dn/dTが負ではあるが、その絶対植も石英に比べ大きい。そこで、該材料を用いて熱光学光変調器を作製すれば、熱光学光変調器の消費電力低減と、アレイ導波路回折格子の温度無依存化とを両立した回路を、単一基板上に作製可能となる。よって、TiO2/SiO2系材料は、非常に有力な材料系であるといえる。 TiO 2 / SiO 2 glass has negative dn / dT, but its absolute planting is larger than quartz. Therefore, if a thermo-optic light modulator is manufactured using the material, a circuit that achieves both a reduction in power consumption of the thermo-optic light modulator and temperature independence of the arrayed waveguide grating on a single substrate. It can be produced. Therefore, it can be said that the TiO 2 / SiO 2 material is a very powerful material system.
しかしながら、単一材料としてTiO2/SiO2系ガラスだけを用いてアレイ導波路回折格子を作製するとどうしても、石英系材料にて作製した場合に比べて、材料損失の増大、反射増大の問題を回避することが困難となる。また、TiO2/SiO2系材料の屈折率はdn/dTが負になる濃度範囲では、1.7以上となり、導波路コアサイズが小さくなる。よって、高い加工技術が必要な上、安定性を確保したカップラーを作製するのが困難であるといった問題がある。さらに、単一基板上へのTiO2/SiO2系材料を用いたアサーマルアレイ導波路回折格子と熱光学光変調器を用いた光減衰器との集積が困難であった。 However, if an arrayed waveguide grating is fabricated using only TiO 2 / SiO 2 glass as a single material, the problem of increased material loss and increased reflection is inevitably avoided as compared with the case of fabricating a quartz material. Difficult to do. In addition, the refractive index of the TiO 2 / SiO 2 material is 1.7 or more in a concentration range where dn / dT is negative, and the waveguide core size is reduced. Therefore, there is a problem that a high processing technique is required and it is difficult to manufacture a coupler that ensures stability. Furthermore, it has been difficult to integrate an athermal array waveguide diffraction grating using a TiO 2 / SiO 2 based material and an optical attenuator using a thermo-optic light modulator on a single substrate.
以上に述べたように、従来からあるdn/dTの大きな材料を用いた熱光学光変調器では、1)該材料を用いることによる材料的な吸収、散乱損失の増加、2)該材料の屈折率が一般には高く、導波路コアサイズが小さくなることにより、安定的にカップラーが作製できない、3)熱光学光変調器を用いた熱光学型光可変減衰器とアレイ導波路回折格子とを単一基板に集積化した場合、dn/dTの絶対値が大きいことを生かした光可変減衰器の低消費電力化と、アレイ導波路回折格子の温度無依存化との両立を、損失を抑えて実現するのが因難である、といった問題点があった。 As described above, in a conventional thermo-optic light modulator using a material having a large dn / dT, 1) material absorption and scattering loss increase by using the material, and 2) refraction of the material. In general, the coupler is not able to be stably manufactured because the waveguide core size is small due to the high ratio of the waveguide. 3) A thermo-optic variable optical attenuator using a thermo-optic light modulator and an arrayed waveguide diffraction grating When integrated on a single substrate, it is possible to reduce the power consumption of the variable optical attenuator taking advantage of the large absolute value of dn / dT and to make the temperature of the arrayed waveguide diffraction grating independent of each other while suppressing loss. There was a problem that it was difficult to realize.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、消費電量を低減し、損失を抑制可能な熱光学光変調器および光回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a thermo-optic light modulator and an optical circuit that can reduce power consumption and suppress loss.
本発明はこのような目的を達成するために、請求項1記載の発明は、コアをクラッド層で埋め込んだ形状の埋め込み型光導波路を備える熱光学光変調器であって、第一のコアと、前記第一のコア上または前記第一のコアの内部に形成された、前記第一のコアと屈折率が異なり、前記第一のコアよりも屈折率の温度係数が大きい材料からなる第二のコアと、前記第一のコアと前記第二のコアとを接続するスポットサイズ変換器と、前記第二のコアに温度を加えるように前記クラッド層上に形成されたヒータとを備え、前記第一のコアは、前記第二のコアよりも伝搬損失が小さい材料からなり、前記コアは、前記第一のコアおよび前記第二のコアを含み、前記第一のコアおよび前記第二のコアのうち、屈折率が高い方のコアの、屈折率の低い方のコアとの光学的な接続部に前記スポットサイズ変換器が形成されており、前記クラッド層に形成されたヒータの下部には少なくとも前記第二のコアが形成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a thermo-optic light modulator including a buried optical waveguide having a shape in which a core is buried with a cladding layer, The second core is formed of a material having a refractive index different from that of the first core and having a higher temperature coefficient of refractive index than that of the first core, which is formed on or in the first core. A spot size converter that connects the first core and the second core, and a heater formed on the cladding layer to apply a temperature to the second core, The first core is made of a material having a propagation loss smaller than that of the second core, and the core includes the first core and the second core, and the first core and the second core Of the core with the higher refractive index, the core with the lower refractive index A optical wherein the connecting portion has a spot size converter is formed with a lower portion of the heater formed in the cladding layer is characterized in that at least the second core is formed.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、入力側に形成された第一の3dB結合器と、出力側に形成された第二の3dB結合器とをさらに備え、前記第一の3dB結合器と前記第二の3dB結合器とは、2本の前記埋め込み型光導波路にて連結されていることを特徴とする。
The invention according to
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、前記第一のコアは、B、P、Geを含む石英系材料からなることを特徴とする。 According to a third aspect of the invention, in the first or second aspect of the invention, the first core is made of a quartz-based material containing B, P, and Ge.
請求項4記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明において、前記第二のコアは、Si、アモルファスSi、SiO2、SiO2(0<x<2)、TiO2、SiONのいずれか1つを含む材料からなることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the invention according to any one of
請求項5記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明において、前記第二のコアは、Ti酸化物を少なくとも50mol%以上含む材料からなることを特徴とする。
The invention according to
請求項6記載の発明は、請求項1乃至5に記載の熱光学光変調器と、前記熱光学光変調器と同一の基板に形成された、前記第二のコアよりも小さい屈折率の温度係数を有する材料からなるコアを含むアレイ導波路を有する、アレイ導波路回折格子とを備えることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the thermo-optic light modulator according to any one of the first to fifth aspects, and a temperature of a refractive index smaller than that of the second core formed on the same substrate as the thermo-optic light modulator. And an arrayed waveguide diffraction grating having an arrayed waveguide including a core made of a material having a coefficient.
請求項7記載の発明は、請求項1乃至5に記載の熱光学光変調器と、前記熱光学光変調器と同一の基板に形成された、前記第一のコアよりも大きく、かつ負の屈折率の温度係数を有する材料からなるコアを含むアレイ導波路を有する、アレイ導波路回折格子とを備え、前記アレイ導波路の両端には、スポットサイズ変換器が形成されていることを特徴とする。
The invention described in
以上説明したように、本発明によれば、第一のコアは、従来から実績のある石英系材料から構成し、第二のコアは、第一のコアよりも、屈折率の温度係数が大きい材料から構成し、第一のコアと第二のコアとをスポットサイズ変換器にて接続しているので、消費電量を低減し、かつ損失を抑制することが可能である。 As described above, according to the present invention, the first core is made of a quartz-based material that has been proven so far, and the second core has a higher temperature coefficient of refractive index than the first core. Since it consists of material and the 1st core and the 2nd core are connected by the spot size converter, it is possible to reduce power consumption and to suppress loss.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本発明の一実施形態は、少なくとも必要箇所、好ましくは必要箇所のみに屈折率温度係数(dn/dT)の絶対値の大きな材料にて導波路コアを作製し、該当しない部分は、例えば、これまで実績のある石英系の材料など、上記dn/dTの絶対値が大きな材料からなる導波路コアよりも伝播損失が小さい材料にて作製する。両者の接続を低損失に実施するため、屈折率温度係数の絶対値が大きな材料からなる導波路コアと、石英系材料からなる導波路コアとの光学的な接続部にスポットサイズ変換器を設けて、低損、かつ反射の少ない回路を提供する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
In one embodiment of the present invention, a waveguide core is made of a material having a large absolute value of the refractive index temperature coefficient (dn / dT) at least at a necessary portion, preferably only at a necessary portion. It is made of a material having a smaller propagation loss than a waveguide core made of a material having a large absolute value of dn / dT, such as a quartz-based material that has a proven record. In order to achieve a low loss connection between the two, a spot size converter is provided at the optical connection between the waveguide core made of a material having a large absolute value of the refractive index temperature coefficient and the waveguide core made of a silica-based material. Provide a circuit with low loss and low reflection.
また、熱光学光変調器を用いた光可変減衰器とアレイ導波路回析格子とを同一の基板に集積した回路の場合、少なくとも光可変減衰器の変調領域を、dn/dTの絶対値が大きな材料で作製すれば、損失が大きくなってしまう問題に対し有効である。すなわち、光可変減衰器のヒータ下部(変調領域)のみdn/dTの大きな材料からなるコア(本明細書において、「第二のコア」とも呼ぶ)を具備し、スポットサイズ変換器を介して第二のコアに接続される、石英系材料からなるコア(本明細書において、「第一のコア」とも呼ぶ)と、アレイ導波路回折格子とは石英系材料にて作製する。こうすることで、損失を抑え、光可変減衰器部の低消費電力化を可能とする。また、上記アレイ導波路回折格子のアレイ導波路部分を、dn/dTの絶対値が大きな材料で作製すれば、損失が大きくなるという問題だけでなく、波長の温度無依存化が困難になるという問題に対しても有効となる。すなわち、アレイ導波路回折格子の温度無依存化には、従来からある方法による対策が可能となる。 In the case of a circuit in which an optical variable attenuator using a thermo-optic optical modulator and an arrayed waveguide diffraction grating are integrated on the same substrate, at least the modulation region of the optical variable attenuator has an absolute value of dn / dT. If it is made of a large material, it is effective for the problem that the loss increases. That is, only the lower part of the heater (modulation region) of the optical variable attenuator is provided with a core made of a material having a large dn / dT (also referred to as a “second core” in this specification), and the first through the spot size converter. The core made of a quartz-based material (also referred to as “first core” in this specification) connected to the second core and the arrayed waveguide diffraction grating are made of a quartz-based material. In this way, loss can be suppressed and the power consumption of the optical variable attenuator can be reduced. Further, if the arrayed waveguide portion of the arrayed waveguide diffraction grating is made of a material having a large absolute value of dn / dT, not only will the loss increase, but it will be difficult to make the wavelength temperature independent. It is also effective for problems. In other words, a conventional method can be used to make the temperature of the arrayed waveguide grating independent of temperature.
さらには、負の屈折率温度係数を持ち、さらにその絶対植が大きいTiO2/SiO2系ガラスを利用して、可変減衰器の低消費電力化とアレイ導波路回析格子の温度無依存化との両立を、上記回路を一枚の基板上で一括して作製することで実現し、かつ、低損失な石英系材料にて回路の大部分を作製することで、低損失化をも可能とする。 Furthermore, using TiO 2 / SiO 2 glass with negative refractive index temperature coefficient and large absolute planting, low power consumption of variable attenuator and temperature independence of arrayed waveguide grating The above circuit is realized by making the above circuit in a batch on a single substrate, and the loss can be reduced by making most of the circuit with a low-loss quartz-based material. And
(第1の実施形態)
本実施形態では、従来からある石英系材料を用いたMZI回路を作製し、その連結部であるアーム導波路の上に、SiOx(0<x<2)からなる屈折率温度係数(dn/dT)の絶対値が大きな材料からなる導波路を、スポットサイズ変換器を介して接続し作製している。
(First embodiment)
In this embodiment, a conventional MZI circuit using a quartz-based material is manufactured, and a refractive index temperature coefficient (dn / n) made of SiO x (0 <x <2) is formed on an arm waveguide which is a connecting portion thereof. A waveguide made of a material having a large absolute value of dT) is connected through a spot size converter.
図1は、本実施形態に係る熱光学光変調器を示す鳥瞰図であり、図2(a)は、図1のA−A’線切断断面図であり、図2(b)は、図1のB−B’線切断断面図であり、図2(c)は、図1のC−C’線切断断面図である。また、図3は、本実施形態に係る熱光学光変調器を用いた1×2光スイッチの構成図である。本実施形態では、光スイッチを作製したが、同じ構成にて、光減衰器の作製も無論可能である。すなわち、本実施形態に係る熱光学光変調器は、熱光学光変調器を用いる回路であればいずれの回路にも適用可能である。 FIG. 1 is a bird's-eye view showing a thermo-optic light modulator according to this embodiment, FIG. 2 (a) is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 1, and FIG. FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 1. FIG. 3 is a configuration diagram of a 1 × 2 optical switch using the thermo-optic light modulator according to the present embodiment. In this embodiment, an optical switch is manufactured. However, it is possible to manufacture an optical attenuator with the same configuration. That is, the thermo-optic light modulator according to this embodiment can be applied to any circuit as long as the circuit uses the thermo-optic light modulator.
図1において、Si基板1には、石英系材料からなるコア(第一のコア)3、第一のコアよりも、屈折率が高く、屈折率温度係数が大きいSiOxからなるコア(第二のコア)4、およびコア4の両端に形成された、コア4と同一の材料からなり、その幅が、コア4とは反対側に向かって徐々に狭くなるようなテーパー部5が埋め込まれたクラッド2が形成されている。なお、本実施形態では、コア4の材料として、SiOxを用いているが、これに限定されず、例えば、SiO2、TiO2、SiON、SiOxとTiO2との混合物等を用いても良い。また、コア4の材料として、Ta、Bi、Na、Al、Ce、Ga、Li等の酸化物の少なくとも1つを含むガラスからなる材料としても良い。すなわち、コア4の材料として、コア3に用いる石英系材料の屈折率温度係数よりも大きな、屈折率温度係数を有する材料を用いれば良いのである。
In FIG. 1, a
なお、本実施形態では、第一のコアとしてのコア3として、石英系材料を用いているが、これに限定されず、用いられる第二のコアとしてのコア4の伝搬損失よりも小さな伝搬損失である材料であればいずれの材料であっても良い。
In this embodiment, a quartz-based material is used as the
図1、図2(a)〜(c)において、コア3上の所定の部分には、コア4およびテーパー部5が形成されている。コア4の両端にはそれぞれテーパー部5が形成されている。コア3(コア4)を伝搬する光は、テーパー部5を介してコア4(コア3)へとスポットサイズを変換しながら移行するので、仮想線部8がスポットサイズ変換器となる。よって、コア3とコア4とを伝搬する光は、スポットサイズ変換器8を介して光学的に接続されることになる。図1および図2(c)に示される通り、コア4の上部のクラッド2には、ヒータ6が形成されており、ヒータ6の両端には、金属等からなる接続配線7が形成されている。この接続配線7によって、外部からの電力をヒータ6へと供給することができる。このような構成によって、ヒータ6は、少なくとも変調領域となるコア4に熱を加えて、コア4を伝搬する光を変調するのである。このとき、変調領域となるコア4の両端部、すなわち、コア4の、コア3と光学的に接続する部分には、スポットサイズ変換器としてのテーパー部5が形成されているので、モードフィールドが異なるコア3とコア4とを良好に接続することができる。
1 and 2A to 2C, a core 4 and a
図1に示した、本実施形態に係る熱光学光変調器を用いた1×2光スイッチの構成図を図3に示す。なお、図3では、ヒータ、配線(電極)は図が煩雑になるのを防ぐために省略してある。また、図3では、図面を見やすくするために、コアを細線で示している。
図3において、3dBカップラー31Aの出力ポートにはそれぞれ、アーム導波路としてのコア3が接続されている。アーム導波路としてのコア3にはそれぞれ、図1および図2(a)〜(c)にて説明した、コア4、テーパー部5、ヒータ6などにより熱光学光変調器が形成されている。アーム導波路としてのコア3の他方端はそれぞれ、方向性結合器31Bの入力ポートに接続されている。
FIG. 3 shows a configuration diagram of the 1 × 2 optical switch using the thermo-optic light modulator according to this embodiment shown in FIG. In FIG. 3, heaters and wiring (electrodes) are omitted in order to prevent the figure from becoming complicated. In FIG. 3, the core is indicated by a thin line for easy viewing of the drawing.
In FIG. 3, a
以下で、図3に示す、光スイッチの作製方法について述べる。ここで示す数値、作製方法は一例であり、他の値、作製方法であっても差し支えない。
まず、Siからなる基板上に、火炎堆積法を用いて下部クラッド50μm、第一のコア層(コア3)となるコア層4.5μmを順に堆積する。ここで火炎堆積法とは、SiCl4等の塩化物を酸水素炎の中で燃焼させ、基板上に高速にガラス膜を製膜する方法である。この火炎堆積法は、比較的厚い膜を堆積するのに適しており、埋め込み特性に優れているため光導波路の作製に広く用いられている方法である。堆積直後は、形成された膜は微粒子の集まりであるため可視光を散乱し、白色を示すが、熱処理を実施することで透明な膜を得ることができる。一般的には透明化温度降下のため、例えば、P2O5、B2O3などを適量添加したガラスを堆積し、さらにコア層には屈折率を上げるためにGeO2等を添加する。ここでは、堆積したコア層の比屈折率差Δがクラッド層に対し0.75%となるようにする。
A method for manufacturing the optical switch shown in FIG. 3 will be described below. The numerical values and manufacturing methods shown here are examples, and other values and manufacturing methods may be used.
First, a lower cladding 50 μm and a core layer 4.5 μm serving as a first core layer (core 3) are sequentially deposited on a Si substrate using a flame deposition method. Here, the flame deposition method is a method in which a chloride film such as SiCl 4 is burned in an oxyhydrogen flame to form a glass film on the substrate at a high speed. This flame deposition method is suitable for depositing a relatively thick film and is widely used for the production of optical waveguides because of its excellent embedding characteristics. Immediately after deposition, the formed film is a collection of fine particles, and thus scatters visible light and shows white. However, a transparent film can be obtained by performing heat treatment. In general, in order to lower the clearing temperature, for example, glass to which an appropriate amount of P 2 O 5 , B 2 O 3 or the like is added is deposited, and GeO 2 or the like is added to the core layer to increase the refractive index. Here, the relative refractive index difference Δ of the deposited core layer is set to 0.75% with respect to the cladding layer.
次いで、第一のコア層上に第二のコア層(コア4)となるSiOx(0<x<2)膜をSiH4とO2とを用いて、ECR−CVD(electron-cyclotron-resonance plasma-enhanced chemical vapor deposition)を用いて堆積する。ここで、SiOx膜とは、Siが過剰に添加されたSiO2膜であり、SiO2のマトリックスの中に粒径が数nmのSiナノ結晶が分散して埋め込まれている膜である。該膜は、SiO2にSiの性質を足し合わせた膜が得られる。通常は、Siのdn/dT=16×10‐5/℃であり、SiO2のdn/dTは1×10‐5/℃程度である。従って、Siの過剰程度を関数に、dn/dTもその間の値を取る。すなわち、0<x<2の範囲でxが変化すると、SiOxの屈折率温度係数は、1×10‐5/℃と16×10‐5/℃との間で変化する。また、マトリックスのSiO2は、平面光回路、光ファイバーと同じ材料であり、通信帯1.5μmの波長領域で最も透過率が高い。また、Siナノ結晶では、波長1.5μmはバンドギャップエネルギー以下の波長であり、Siナノ結晶は、この領域の光に対し透明である。また、粒径が伝播する光の波長に比べて小さいため、散乱源として働かない。よって、透過率が良いというメリットがある。
以上のことは、TiO2についても同様のことが言える。
Next, a SiO x (0 <x <2) film to be the second core layer (core 4) is formed on the first core layer by using SiH 4 and O 2, and ECR-CVD (electron-cyclotron-resonance). Deposition using plasma-enhanced chemical vapor deposition. Here, the SiO x film is a SiO 2 film in which Si is excessively added, and is a film in which Si nanocrystals having a particle size of several nm are dispersed and embedded in a SiO 2 matrix. As the film, a film obtained by adding the property of Si to SiO 2 is obtained. Usually, dn / dT of Si = 16 × 10 −5 / ° C., and dn / dT of SiO 2 is about 1 × 10 −5 / ° C. Accordingly, dn / dT takes a value in the meantime with the excess of Si as a function. That is, when x changes in the range of 0 <x <2, the refractive index temperature coefficient of SiO x changes between 1 × 10 −5 / ° C. and 16 × 10 −5 / ° C. Further, the SiO 2 of the matrix is the same material as the planar optical circuit and the optical fiber, and has the highest transmittance in the wavelength region of the communication band of 1.5 μm. Further, in the Si nanocrystal, the wavelength of 1.5 μm is a wavelength equal to or less than the band gap energy, and the Si nanocrystal is transparent to the light in this region. Further, since the particle size is smaller than the wavelength of the propagating light, it does not work as a scattering source. Therefore, there is an advantage that the transmittance is good.
The same can be said for TiO 2 .
本実施形態では、過剰Si濃度を40at.%としている。この時のdn/dTは6×10‐5/℃であり、通常の石英より6倍程度大きな値である。
ついで、レジストを塗布し、一般的なフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチングを用いて、SiOx膜を回路形状に加工する。第二のコアとして長さ2mm幅2μmの直線導波路の両端に、500μmの三角形の形状をしたテーパーを施す。このテーパー部は、第一の導波路(第一のコア)内を伝播する光のモードフィールドを断熱的に、第二のコアのそれに変換する。そのため、モードフィールドの変換に伴う損失は非常に小さくできる(1箇所あたり0.1dB以下)。
In this embodiment, the excess Si concentration is set to 40 at. %. The dn / dT at this time is 6 × 10 −5 / ° C., which is about 6 times larger than that of normal quartz.
Next, a resist is applied, and the SiO x film is processed into a circuit shape by using a general photolithography technique and reactive ion etching. A taper having a triangular shape of 500 μm is applied to both ends of a linear waveguide having a length of 2 mm and a width of 2 μm as a second core. This taper section adiabatically converts the mode field of light propagating in the first waveguide (first core) to that of the second core. Therefore, the loss accompanying the conversion of the mode field can be made very small (0.1 dB or less per place).
再度、レジストの塗布を実施し、位置合わせを行って、第一の導波路のフォトリソグラフィーとエッチングとを実施する。第一の導波路として作製した光回路は、図に示されるような直線アーム導波路3mmの両端に接続された、2つの3dB方向性結合器からなるMZI回路である。導波路の輻は6.0μmとしている。これらのエッチングした回路をさらに、オーバークラッドとなるガラス15μmで埋め込み、そのクラッド上にCrからなるヒータを形成後、金配線を形成する。ここで、ヒータは、幅3μm、長さ2mmとし、SiOxからなる第二のコア上のクラッドの表面に形成する。
Again, resist is applied, alignment is performed, and photolithography and etching of the first waveguide is performed. The optical circuit fabricated as the first waveguide is an MZI circuit composed of two 3 dB directional couplers connected to both ends of a
本実施形態では、第二のコア(コア4)としてSiOx膜を用いている。これは、SiOx膜は、石英SiO2の組成に近く、屈折率(約1.6)と通信帯1.5μmでの透過率が高いことによる。無論、dn/dTの大きな材料(例えば、単結晶SiやアモルファスSi、他金属酸化物を含むガラスでdn/dTの大きな材料)を用いて第二のコアとしてもよい。例えばTiO2または、その酸化物との混合膜においては、dn/dTは負の値ではあるが、その絶対値は大きく本実施形態の用途に適している。 In the present embodiment, a SiO x film is used as the second core (core 4). This is because the SiO x film is close to the composition of quartz SiO 2 , and has a high refractive index (about 1.6) and high transmittance at a communication band of 1.5 μm. Of course, a material having a large dn / dT (for example, a glass containing single crystal Si, amorphous Si, or other metal oxide and having a large dn / dT) may be used as the second core. For example, in the case of a mixed film with TiO 2 or its oxide, dn / dT is a negative value, but its absolute value is large and suitable for the application of this embodiment.
先述したように、これまで従来のdn/dTの大きな材料だけを用いて熱光学光変調器を作製した場合、材料損失が大きい、ファイバーとの結合損失が大きくなるという問題があった。さらに、dn/dTの絶対値が大きい場合は屈折率も高い場合が多く、シングルモード導波路を達成するには高精度の加工が必要であり、歩留まりが悪いという問題がある。さらに他の機能を持つ平面光回路との集積化が困難であった。 As described above, when a thermo-optic light modulator is manufactured using only a conventional material having a large dn / dT, there has been a problem that a material loss is large and a coupling loss with a fiber is large. Further, when the absolute value of dn / dT is large, the refractive index is often high, and high-accuracy processing is required to achieve a single mode waveguide, resulting in a problem of poor yield. Furthermore, integration with planar optical circuits having other functions has been difficult.
しかしながら、本実施形態では、スポットサイズ変換器を用いて、3dBカップラーについては既存の実績ある低損失な石英系光平面回路で形成し、また、光ファイバーとの結合も該石英系材料からなる導波路で実施する。そして、熱光学効果が必要となる箇所(上部にヒータが形成される領域)のみに、dn/dTの大きな材料で作製された導波路を一括作製し、石英系材料からなる導波路と、該導波路を構成する石英系材料の屈折率温度係数よりも大きい屈折率温度係数を有する材料からなる導波路とをスポットサイズ変換器で接続している。 However, in the present embodiment, a spot size converter is used to form a 3 dB coupler with an existing proven low-loss silica-based optical planar circuit, and a waveguide made of the silica-based material is also coupled to an optical fiber. To implement. Then, a waveguide made of a material having a large dn / dT is collectively produced only in a place where a thermo-optic effect is required (a region where a heater is formed in the upper part), and a waveguide made of a quartz-based material, A waveguide made of a material having a refractive index temperature coefficient larger than the refractive index temperature coefficient of the quartz material constituting the waveguide is connected by a spot size converter.
この場合、実績ある石英系の材料で回路の大部分は構成される。そのため、石英系の材料による伝播損失は非常に小さいので、回路全体の伝搬損失を抑えることができる。また、dn/dTの大きな材料で作製された第二の導波路(第二のコア)の長さは、スポットサイズ変換部と、ヒータ下部のみで僅かに3mm程度である。この場合、dn/dTの大きな材料で材料損失が多少ある材料で第二の導波路を作製したとしても、伝播距離は非常に短いため大きな損失増加にはいたらない。 In this case, most of the circuit is composed of a proven quartz-based material. Therefore, the propagation loss due to the quartz-based material is very small, and the propagation loss of the entire circuit can be suppressed. The length of the second waveguide (second core) made of a material having a large dn / dT is only about 3 mm only in the spot size conversion section and the lower part of the heater. In this case, even if the second waveguide is made of a material having a large dn / dT and a material with a slight material loss, the propagation distance is very short, so that the loss does not increase greatly.
dn/dTの大きな材料の場合、往々にして、屈折率そのもののも石英のそれに比べ大きい。本実施形態のSiOx膜の場合は、屈折率n=1.6程度であり、石英の屈折率1.45程度に比べかなり大きい。さらに、単結晶Siを用いた場舎は、屈折率n=3.4程度にもなる。つまり、第二の導波路がシングルモードを達成する導波路寸法は、第一の導波路の上記寸法に比べて小さくなる。よって、それらを単に接続しただけでは、モードフィールドの不整合により損失が生じる。そこで、第二の導波路の一部にテーパー形状のスポットサイズ変換器を設け、第一の導波路を伝播してきた光を徐々に第二の導波路に断熱的に移行させる。 In the case of a material having a large dn / dT, the refractive index itself is often larger than that of quartz. In the case of the SiO x film of this embodiment, the refractive index n is about 1.6, which is considerably larger than the refractive index of quartz of about 1.45. Furthermore, a building using single crystal Si has a refractive index n of about 3.4. That is, the waveguide dimension at which the second waveguide achieves the single mode is smaller than the above-described dimension of the first waveguide. Therefore, if they are simply connected, a loss occurs due to mode field mismatch. Therefore, a tapered spot size converter is provided in a part of the second waveguide, and the light propagating through the first waveguide is gradually transferred to the second waveguide in an adiabatic manner.
図4は、本実施形態に係る、テーパーを成すスポットサイズ変換器部の動作を説明する図である。図4では、一方のアーム導波路のみを拡大して示している。また、図4の円は、伝播する光のモードフィールドの大きさを簡単に示したものである。 FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the tapered spot size converter unit according to the present embodiment. In FIG. 4, only one arm waveguide is shown enlarged. The circle in FIG. 4 simply shows the size of the mode field of propagating light.
第一の導波路であるコア3を伝播してきた光は、テーパー部5に達すると屈折率の高い第二の導波路であるコア4に徐々にモードフィールドを小さくしながら移行していく。モードフィールドを小さくしながらコア4に移行した光は、コア4内を伝播した後、再度、コア4の入射端に形成されたテーパー部5の対向位置に形成されたスポットサイズ変換器(テーパー部5)にてモードフィールドを広げながらコア3に戻る。
When the light propagating through the
このテーパー部5は、上述のようにスポットサイズ変換器として働く。該箇所にスポットサイズ変換を設けることで、dn/dTの大きな異種の材料の導波路同士を低損失、低反射に接続するのである。スポットサイズ変換による損失を、別途テスト回路を用いて測定した結果、一箇所あたり0.1dB以下と非常に小さくできていることが確認できた。つまり、従来、屈折率温度係数が大きな材料だけで作製された導波路を用いて熱光学光変講器を作製すると、損失の増加が問題となっていたが、本実施形態によれば、石英系材料のみで作製した熱光学光変調器と遜色なく作製することが可能となる。
The tapered
すなわち、本実施形態によれば、少なくとも変調領域(ヒータにより熱を加えられる領域)のコア(第二のコア)の材料に、屈折率温度係数が大きい材料を用いているので、消費電力を低減することが可能となる。このとき、伝搬損失の低減を考慮すると、変調領域のコアのみに上記屈折率温度係数が大きい材料を適用するのが好ましい。さらに、変調を行う領域(必要な領域)以外のコア(第一のコア)は、従来から実績のある石英系材料からなるコアを用いているので、消費電力の低減と、損失の低減とを両立できる。また、上記コアを含む光回路と、光ファイバとの接続も良好となる。さらに、第一のコアと第二のコアとの接続を、スポットサイズ変換器を介して行っているので、第一のコアと第二のコアとのモードフィールドの不整合による損失を低減することが可能となる。従って、消費電力の低減と損失の低減を実現可能な熱光学光変調器を提供することが可能となる。 That is, according to the present embodiment, a material having a large refractive index temperature coefficient is used as the material of the core (second core) in at least the modulation region (region where heat can be applied by the heater), thereby reducing power consumption. It becomes possible to do. At this time, considering the reduction of propagation loss, it is preferable to apply the material having a large refractive index temperature coefficient only to the core of the modulation region. Furthermore, since the core (first core) other than the modulation area (necessary area) uses a core made of a quartz-based material that has been proven in the past, it reduces power consumption and loss. Can be compatible. Also, the connection between the optical circuit including the core and the optical fiber is good. Furthermore, since the connection between the first core and the second core is performed via a spot size converter, loss due to mode field mismatch between the first core and the second core is reduced. Is possible. Therefore, it is possible to provide a thermo-optic light modulator that can realize reduction in power consumption and loss.
本実施形態では、図5(a)に示されるように、石英系材料で構成される第一のコア53上に、屈折率温度係数の絶対値が大きな材料で作製された第二のコア54を積層させている。この第一のコア53および第二のコア54は、下部クラッド51および上部クラッド52によって囲まれている。同じように、第一のコアの内部に第二のコアを設けても先に述べた効果と同じ効果が期待できる。しかしながら、熱光学効果を利用した熱光学光変調器では、コアとヒータとの間の距離が短い方が消費電力を低減することが可能である。それは、同じ電力を加えた際、ヒータに近いほど、コアの上昇温度が高くなるためである。よって、第二のコアを第一のコア上に積層した形状の方が、熱を加えるべきコアである第二のコアをヒータに近づけることができるため、より消費電力を下げることが可能となる。
In this embodiment, as shown in FIG. 5A, a
一方、図5(b)および(c)のような、第二のコアを第一のコア内に内包した場合は、スポットサイズ変換器部でのモードフィールド変換損失をさらに小さくすることができるというメリットがある。図5(b)は、第一のコア55内に第二のコア56を形成した形状である。また、図5(c)は、図5(b)と同様に、第一のコア57内に第二のコア57を形成した形状であるが、下部クラッド51のリッジ部51A上に第二のコア58を形成し、リッジ部51Aと第二のコア58とを包むように第一のコア57が形成されている形状である。
On the other hand, when the second core is included in the first core as shown in FIGS. 5B and 5C, the mode field conversion loss in the spot size converter unit can be further reduced. There are benefits. FIG. 5B shows a shape in which the
また、本実施形態では、テーパー部5のように、単なる三角形のテーパー構造のスポットサイズ変換器を用いているが、スポットサイズ変換器の形状は何も二等辺三角形である必要性はなく、多段階に徐々に狭まっている(広まっている)または、曲線にて狭まって(広がって)いても良い。つまり、本実施形態に係るスポットサイズ変換器は、第一のコアから第二のコアへ、または第二のコアから第一のコアへと、モードフィールドが徐々に変化して移行後のモードフィールドが適切なモードフィールドになるような機能を有していれば良いのである。
Further, in this embodiment, a spot size converter having a simple triangular taper structure is used as in the tapered
本実施形態では、第二のコアの方が、屈折率が高いという前提にて記載しているが、第ニのコアは、第一のコアよりもdn/dTが大きければ(他のカップラー等を構成するガラスに対し少なくとも2倍以上)よく、第二のコアの方が、第一のコアよりも屈折率が低くてもよい。その場合、テーパー部、すなわちスポットサイズ変換器は、第二のコアではなく、第一のコアに設ければ良い。 In the present embodiment, the second core is described on the premise that the refractive index is higher, but the second core has a larger dn / dT than the first core (other couplers, etc.). The second core may have a refractive index lower than that of the first core. In that case, the tapered portion, that is, the spot size converter may be provided not in the second core but in the first core.
実際作製した、本実施形態に係る光スイッチの消費電力を測定した結果、位相がπ回転するのに要した電力はわずかに140mWであり、同様の構造の従来のスイッチの消費電力450mWの実に1/3の電力まで低減できた。また挿入損失においても、従来技術にて作製したものと0.2dBの増加のみで収まっていた。これは、従来技術で課題であった損失の問題が本実施形態を用いることで解決できていることを示すものである。 As a result of measuring the power consumption of the actually produced optical switch according to the present embodiment, the power required to rotate the phase by π is only 140 mW, which is 1 of the power consumption of 450 mW of the conventional switch having the same structure. The power was reduced to / 3. In addition, the insertion loss was reduced only by an increase of 0.2 dB from that produced by the prior art. This indicates that the problem of loss, which has been a problem in the prior art, can be solved by using this embodiment.
本実施形態では、第二のコアとしてSiOxを用いた形態について説明したが、TiO2やシリコンの酸化窒化物であるSiONを第二のコアとして用いて上記実験を行ったところ、SiOxの場合と同様な効果が得られた。 In the present embodiment has described a form using SiO x as the second core, it was subjected to the experiments using SiON a oxynitride of TiO 2 and silicon as the second core, the SiO x The same effect as the case was obtained.
(第2の実施形態)
本実施形態では、従来からある石英系材料を用いたMZI回路を作製し、その連結部であるアーム導波路の上に、TiO2とSiO2との混合膜を用いて第二のコアを作製し、スポットサイズ変換器を介して、第一のコアと第二のコアとを接続した熱光学スイッチを作製している。本実施形態では、第二のコアはTiO2とSiO2との2種の材料の混合膜であるが、他材料が添加物として入っていても問題とはならず、同じ効果が得られる。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a conventional MZI circuit using a quartz-based material is manufactured, and a second core is manufactured using a mixed film of TiO 2 and SiO 2 on the arm waveguide which is the connecting portion. And the thermo-optic switch which connected the 1st core and the 2nd core via the spot size converter is produced. In the present embodiment, the second core is a mixed film of two materials of TiO 2 and SiO 2 , but even if other materials are added as additives, the same effect can be obtained.
ここで、TiO2とSiO2との混合膜とは、結晶性の粒径がナノメートルサイズのTiO2微粒子がSiO2マトリックス中に分散して埋め込まれている材料を指す。TiO2結晶のサイズは散乱損失を低減するため粒子サイズが小さい方が好ましい。先に示したSiO2膜では過剰に添加しているSiの結晶性はあまり問われず、アモルファス状でもdn/dTの絶対値が大きくなるという効果は得られる。しかしながら、単に混合しただけでは効果は得られずTiO2とSiO2との混合膜では、効果を得るためには、TiO2微粒子は結晶構造を有する必要がある。このような膜の作製方法としては、TiO2とSiO2とを同時に基板に付着させ、熱処理を実施することで、結晶性TiO2領域と、非結晶性SiO2に分相させることで作製することができる。無論、この方法は一例であり、その他の方法で作製しても差し支えない。 Here, the mixed film of TiO 2 and SiO 2 refers to a material in which TiO 2 fine particles having a crystalline particle size of nanometer size are dispersed and embedded in a SiO 2 matrix. The size of the TiO 2 crystal is preferably smaller in order to reduce scattering loss. In the above-described SiO 2 film, the crystallinity of excessively added Si is not particularly limited, and an effect of increasing the absolute value of dn / dT can be obtained even in an amorphous state. However, the effect cannot be obtained simply by mixing. In the case of a mixed film of TiO 2 and SiO 2 , the TiO 2 fine particles need to have a crystal structure in order to obtain the effect. As a method for forming such a film, TiO 2 and SiO 2 are attached to the substrate at the same time, and heat treatment is performed so that the crystalline TiO 2 region and the amorphous SiO 2 are phase-separated. be able to. Of course, this method is an example, and other methods may be used.
まず、本実施形態にて用いた、TiO2とSiO2との混合膜の屈折率温度係数について述べる。
図6は、Si基板上にTiO2濃度の異なる薄膜を用意し、屈折率温度係数(dn/dT)を測定した結果を示している。上記混合膜は、Si基板上に、TiO2とSiO2とのタ一ゲットを用いて同時にスパッタリング法を用いて混合膜を作製した後、1000℃の熱処理を実施したものである。各試料の濃度は、X線マイクロアナライザ(EPMA:Electron Probe Micro-Analysis)を用いて測定した値である。屈折率温度係数の測定は、プリズムカップルを用いた屈折率測定装置を用いて、試料の温度を室温から150℃まで屈折率測定し、その傾きより求めた。傾きは、一次関数によるフィティングにより決定した。
First, the refractive index temperature coefficient of the mixed film of TiO 2 and SiO 2 used in this embodiment will be described.
FIG. 6 shows the results of measuring the refractive index temperature coefficient (dn / dT) by preparing thin films with different TiO 2 concentrations on the Si substrate. The mixed film is prepared by forming a mixed film on a Si substrate using a target of TiO 2 and SiO 2 at the same time using a sputtering method and then performing a heat treatment at 1000 ° C. The concentration of each sample is a value measured using an X-ray microanalyzer (EPMA: Electron Probe Micro-Analysis). The refractive index temperature coefficient was measured by measuring the refractive index of the sample from room temperature to 150 ° C. using a refractive index measuring device using a prism couple, and calculating the gradient. The slope was determined by fitting with a linear function.
測定結果によると、図6に示される通り、通常のSiO2のdn/dTは、8.5×10‐6/℃であった(TiO2=0mol%)。TiO2濃度が50mol%程度までは、SiO2の屈折率温度係数とほとんど差がないが、TiO2濃度が増加し50mol%以上になると、絶対値が負となり、濃度がさらに高くなると、その絶対値も大きくなっている。80mol%では、−60×10‐6/℃であった。これは、通常の石英に比べて、屈折率温度係数の絶対値は7倍も大きな値である。
つまり、80mol%のTiO2とSiO2との混合膜(TiO2/SiO2膜とも呼ぶ)を本発明の第二のコアに用いれば、単純には消費電力を1/7程度まで削減することが可能である。
According to the measurement results, as shown in FIG. 6, the dn / dT of normal SiO 2 was 8.5 × 10 −6 / ° C. (TiO 2 = 0 mol%). Until the TiO 2 concentration is about 50 mol%, there is almost no difference from the refractive index temperature coefficient of SiO 2 , but when the TiO 2 concentration increases to 50 mol% or more, the absolute value becomes negative, and when the concentration is further increased, the absolute value The value is also increasing. In 80 mol%, it was -60x10 < -6 > / degreeC. The absolute value of the refractive index temperature coefficient is 7 times larger than that of normal quartz.
That is, if a mixed film of 80 mol% TiO 2 and SiO 2 (also referred to as a TiO 2 / SiO 2 film) is used for the second core of the present invention, the power consumption is simply reduced to about 1/7. Is possible.
図7は、本実施形態に係る、第二のコアとしてTiO2/SiO2膜を用いた熱光学スイッチの概略図である。図7(a)は、一つのMZI回路の上面図であり、図7(b)は、図7(a)の破線で示したアーム導波路部分を拡大した図である。いずれの図も、ヒータ、配線(電極)は図が煩雑になるのを防ぐために省略してある。また、図7(a)では、図面を見やすくするために、コアを細線で示している。 FIG. 7 is a schematic diagram of a thermo-optic switch using a TiO 2 / SiO 2 film as the second core according to the present embodiment. FIG. 7A is a top view of one MZI circuit, and FIG. 7B is an enlarged view of an arm waveguide portion indicated by a broken line in FIG. In both figures, the heater and wiring (electrode) are omitted in order to prevent the figure from becoming complicated. In FIG. 7A, the core is indicated by a thin line to make the drawing easier to see.
第二のコアとしてのコア4に用いた膜のTiO2濃度は、72mo1としている。また、コア4の厚さは、0.8μmとし、幅を0.6μmとしている。屈折率は、2.1である。図7(a)および(b)は、第1の実施形態の図3に示した構造とほぼ同様であるが、本実施形態では、コア4の材料としてSiOx膜の代わりに、TiO2/SiO2膜を用いている。さらに、本実施形態で作製した回路は、第1の実施形態では採用しなかった断熱溝71をヒータの両側面に設けている。
The TiO 2 concentration of the film used for the core 4 as the second core is 72 mo1. The core 4 has a thickness of 0.8 μm and a width of 0.6 μm. The refractive index is 2.1. FIGS. 7A and 7B are almost the same as the structure shown in FIG. 3 of the first embodiment. In this embodiment, instead of the SiO x film, the core 4 is made of TiO 2 / A SiO 2 film is used. Furthermore, the circuit fabricated in this embodiment is provided with
本実施形態に係るMZI回路の作製方法は、第1の実施形態のそれとほぼ等しいためここでは詳しくは述べない。また、第一のコアとしてのコア3の寸法等も第1の実施形態のそれと等しいものを作製している。本実施形態において、断熱溝71は、第1の実施形態に挙げた作製方法にてMZI回路を作製した後、断熱溝71を形成すべき箇所のクラッドをエッチングにて除去して形成すれば良い。ここで断熱溝71の幅は50μmとし、それぞれの間隔は75μmとしている。深さは、基板までの65μmとしている。また、比較のため、第1の実施形態で作製した回路にも同様の断熱溝を形成した。
The manufacturing method of the MZI circuit according to the present embodiment is almost the same as that of the first embodiment, and will not be described in detail here. In addition, the
図6より、TiO2の濃度が72mol%の場合は、コア4の屈折率温度係数としてdn/dT=−39×10‐6/℃が得られる。問題となるのは、MZI回路を構成する両アーム導波路間に生じる位相差であり、MZI回路としてはdn/dTの符号は問題とはならない。 From FIG. 6, when the concentration of TiO 2 is 72 mol%, dn / dT = −39 × 10 −6 / ° C. is obtained as the refractive index temperature coefficient of the core 4. The problem is a phase difference generated between both arm waveguides constituting the MZI circuit, and the sign of dn / dT is not a problem for the MZI circuit.
作製した本実施形態に係る回路の測定結果について以下に述べる。
比較のため作製した、石英系の材料からのみなる光スイッチの測定をしたところ、断熱溝を形成しただけでも低消費電力の効果は大きく、位相をπ回転させるのに必要な電力は、52mWとなった(断熱溝形成しない場合(第1の実施形態)は100mW以上)。しかし、さらに、本実施形態にて作製した第二のコアにdn/dTの大きなTiO2/SiO2膜を用いた場合、消費電力をさらに下げることができ、9mWとなった。TiO2/SiO2膜を用いない場合に対して17%まで消費電力を削減できた。この時に、認められた過剰損失は0.3dB程度と非常に小さな値であった。これはスポットサイズ変換部での損失であると考えられる。
The measurement results of the manufactured circuit according to this embodiment will be described below.
When an optical switch made only of a quartz-based material was measured for comparison, the effect of low power consumption was great even if only a heat insulating groove was formed, and the power required to rotate the phase by π was 52 mW. (In the case where the heat insulating groove is not formed (first embodiment), 100 mW or more). However, when a TiO 2 / SiO 2 film having a large dn / dT is used for the second core produced in this embodiment, the power consumption can be further reduced to 9 mW. The power consumption could be reduced to 17% compared to the case where no TiO 2 / SiO 2 film was used. At this time, the recognized excess loss was a very small value of about 0.3 dB. This is considered to be a loss in the spot size conversion unit.
以上に述べたように、TiO2/SiO2の混合膜を第二のコアとして用いることで、低損失でかつ消費電力の小さな光スイッチを実現することが可能となる。この時、消費電力の低減効果を得るためには、TiO2/SiO2の濃度は少なくとも50mol%以上必要である。50mol%以上、TiO2を含むガラスの屈折率は、1.8以上となり高くなる。そのためコアサイズがサブミクロンサイズになる。サブミクロンサイズで単なる直線や曲線導波路を作製することは可能であっても、従来構造のように単一材料でサブミクロンサイズのコアの3dBカップラーを作製すると、損失が大きくなったり、製造トレランスが低く、歩留まりが悪いという問題があった。本実施形態のように、必要箇所(ヒータ下部)のみをスポットサイズ変換器を用いてTiO2/SiO2系材料とすることで、カップラー部を安定的に作製できるだけでなく、回路の伝播損失も小さくすることが可能である。 As described above, by using a mixed film of TiO 2 / SiO 2 as the second core, an optical switch with low loss and low power consumption can be realized. At this time, in order to obtain an effect of reducing power consumption, the concentration of TiO 2 / SiO 2 needs to be at least 50 mol% or more. The refractive index of the glass containing 50 mol% or more and TiO 2 becomes 1.8 or more and becomes high. Therefore, the core size becomes submicron size. Although it is possible to fabricate simple linear and curved waveguides with submicron size, producing a 3 dB coupler with a submicron core with a single material as in the conventional structure increases loss and increases manufacturing tolerance. However, there was a problem that the yield was low. As in this embodiment, by using only a necessary portion (lower part of the heater) as a TiO 2 / SiO 2 material using a spot size converter, not only can the coupler part be stably manufactured, but also the propagation loss of the circuit It can be made smaller.
(第3の実施形態)
本実施形態では、光可変減衰器とアレイ導波路回折格子とを集積した場合について述べる。
本実施形態では、熱光学光変調器を用いた光可変減衰器の、少なくとも熱光学効果を用いる箇所、好ましくは該箇所のみにスポットサイズ変換器を介し、屈折率温度係数(dn/dT)の大きな材料を用いた第二のコアを形成し、他のMZI回路を構成する3dBカッブラー、アレイ導波路回折格子、シングルモードファイバーとの結合箇所は、既存の石英系材料からなる第一のコアを用いて作製している。
(Third embodiment)
In the present embodiment, a case where an optical variable attenuator and an arrayed waveguide diffraction grating are integrated will be described.
In the present embodiment, the refractive index temperature coefficient (dn / dT) of the variable optical attenuator using the thermo-optic light modulator is at least a place where the thermo-optic effect is used, preferably only through the spot size converter. The second core using a large material is formed, and the 3 dB cobbler, arrayed waveguide diffraction grating, and single mode fiber constituting the other MZI circuit are connected to the first core made of the existing quartz-based material. It is made using.
図8は、本実施形態に係る、同一基板上に、熱光学光変調器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路を示す図である。なお、図8では、ヒータ、配線(電極)は図が煩雑になるのを防ぐために省略してある。また、図8では、図面を見やすくするために、コアを細線で示している。 FIG. 8 is a diagram showing an optical circuit in which a thermo-optic light modulator and an arrayed waveguide diffraction grating are integrated on the same substrate according to the present embodiment. In FIG. 8, heaters and wiring (electrodes) are omitted in order to prevent the figure from becoming complicated. In FIG. 8, the core is indicated by a thin line for easy viewing of the drawing.
図8において、基板80には、熱光学光変調器81と、5%タップ回路82と、アレイ導波路回折格子83とが形成されている。図8において、熱光学光変調器81のそれぞれの出力端は、5%タップ回路82のそれぞれの入力端に接続されており、5%タップ回路82のそれぞれの出力端は、アレイ導波路回折格子83のそれぞれの入力端84に接続されている。入力端84は、スラブ導波路85Aの一方に接続されており、スラブ導波路85Aの他方には、16チャンネルのアレイ導波路86の一方端が接続されている。アレイ導波路86の他方端には、スラブ導波路85Bの一方が接続されており、スラブ導波路85Bの他方には、アレイ導波路回折格子83の出力端87が接続されている。このとき、アレイ導波路86に含まれるコア(第三のコアとも呼ぶ)の材料は、第二のコアとしてのコア4よりも小さい屈折率温度係数を有する材料である。第三のコアは、第一のコアと同一の材料であっても、異なる材料であっても良い。
In FIG. 8, a thermo-optic
本実施形態に係る熱光学光変調器の作製方法は、第1の実施形態に示した方法と同じである。まず、Si基板上に、火炎堆積法を用いてSiO2、P2O5、B2O3からなる下部クラッド40μm、第一のコア(コア3)となるコア層6μmを堆積する。ここで、第一のコアのクラッドに対する比屈折率は、上記クラッドにGeO2を添加し0.75%とする。ついで、該第一のコア層上に第二のコア(コア4)となるSiO2(0<x<2)膜を、ECR−CVD用いて堆積する。本実施形態では、過剰Si濃度を40at.%としている。
The manufacturing method of the thermo-optic light modulator according to this embodiment is the same as the method shown in the first embodiment. First, on the Si substrate, a
次いで、SiO2膜上にレジストを塗布し、一般的なフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチングとを用いてSiO2膜を回路形状に加工する。第二のコアとして長さ2mm、幅2μmの直線導波路の両端に、500μmの三角形の形状をしたテーパー部5を施した導波路を、後に第一のコアにおいて、MZI回路のアーム導波路上の所定の位置となるように作製する。
再度、第二のコアをエッチングした面にレジストの塗布を実施し、アライメントを行って、第一のコアについてのフォトリソグラフィーを行い、ついでエッチングを実施する。
Then, by applying a resist on the SiO 2 film, processing the SiO 2 film to a circuit shape by using a general photolithography technique and reactive ion etching. As a second core, a waveguide having a tapered
Again, a resist is applied to the surface where the second core is etched, alignment is performed, photolithography is performed on the first core, and then etching is performed.
ここで、第一のコアとして作製した光回路は、図8に示されるような直線アーム導波路3mmの両端に接続された2つの3dB方向性結舎器からなるMZI回路からなる光可変減衰器とアレイ導波路回折格子である。ここでアレイ導波路回折格子は、16チャンネルからなる100GHz間隔のものを作製している。各アレイ導波路回折格子のチャンネルは、光可変減衰器の制御に用いられるタップ回路を経て、16チャンネルの光可変減衰器に接続されている。これらのエッチングした回路をさらに、オーバークラッドとなるガラス15μmで埋め込み、そのクラッド上にCrを用いて光可変減衰器のアーム部の第ニのコアが存在する箇所上方のクラッド上にヒータを形成後、金配線を形成する。
Here, the optical circuit produced as the first core is an optical variable attenuator comprising an MZI circuit comprising two 3 dB directional connectors connected to both ends of a
本実施形態では、低消費電力化の方法として用いられる断熱溝を形成していない。この断熱溝は、ヒータの両側に深い溝を形成し、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である。無論断熱溝を形成した方がより低消費電力の熱光学位彬変講器が実現可能である。 In this embodiment, the heat insulation groove used as a method for reducing power consumption is not formed. This heat insulating groove forms a deep groove on both sides of the heater, has a function of suppressing heat diffusion in the horizontal direction of the substrate, and can reduce power consumption. Of course, it is possible to realize a thermo-optic position changer with lower power consumption by forming a heat insulating groove.
さらにここでは、第二のコアに用いる、dn/dTの大きな材料として、SiOx膜を用いたが、第一のコアに用いる石英系材料よりも数倍dn/dTの絶対値が大きな材料であれば効果は同じである。 Further, here, a SiO x film is used as a material having a large dn / dT used for the second core, but a material having an absolute value dn / dT several times larger than the quartz-based material used for the first core. If so, the effect is the same.
従来のように、dn/dTの大きな材料のみでこのような集積回路を作製すると、ファイバーとの結合損失、反射の増加や、材料損失による伝播損失の増加等の問題があり、実用的な回路への応用ができないという課題があった。しかし、本実施形態のように集積回路を作製し、dn/dTの絶対値が大きな材料を光可変減衰器の熱光学効果が働く箇所のみに、スポットサイズ変換器を介して導入することで、低損失で低消費電力の光可変減衰器が実現可能である。さらに、集積したアレイ導波路合分波器は、従来どおりの特性を維持したまま集積が可能である。 If such an integrated circuit is manufactured only with a material having a large dn / dT as in the prior art, there are problems such as an increase in coupling loss with fibers, an increase in reflection, and an increase in propagation loss due to material loss. There was a problem that it could not be applied to. However, by manufacturing an integrated circuit as in the present embodiment and introducing a material having a large absolute value of dn / dT only through the spot size converter to the location where the thermo-optic effect of the optical variable attenuator works, An optical variable attenuator with low loss and low power consumption can be realized. Furthermore, the integrated arrayed waveguide multiplexer / demultiplexer can be integrated while maintaining the conventional characteristics.
また、本実施形態では、dn/dTの絶対値が大きな材料だけで集積した際に生じるアレイ導波路合分波器のスラブ−アレイ接続部の損失も抑えられるだけでなく、安定して3dBカップラー等を作製でき、それらを集積化しても歩留まり良く作製することが可能となる。そもそも、熱光学光変調器とアレイ導波路回折格子とを別々に作製して後に接続する手間もなく、コスト削滅が可能である。また、アレイ導波路回折格子部分は、従来から実績のある石英系材料にて作製してあるため、これまで開発されてきた、中心波長の温度無依存化の方法がそのまま適応することが可能となる。 Further, in the present embodiment, not only the loss of the slab-array connection portion of the arrayed waveguide multiplexer / demultiplexer that occurs when the dn / dT absolute value is integrated with only a large material can be suppressed, but the 3 dB coupler can be stably provided. Etc., and even if they are integrated, they can be manufactured with a high yield. In the first place, the cost can be reduced without the need to separately manufacture and later connect the thermo-optic light modulator and the arrayed waveguide diffraction grating. In addition, since the arrayed waveguide diffraction grating portion is made of a quartz-based material that has been proven in the past, the method of making the central wavelength independent of temperature, which has been developed so far, can be applied as it is. Become.
(第4の実施形態)
本実施形態では、TiO2/SiO2系材料を第二のコアとして持つ、本発明の熱光学光変調器を有する多チャンネル光可変減衰器と、アレイ導波路回折格子とを単一基板に集積した回路であって、アレイ導波路回折格子においても、中心波長の温度無依存化を達成するためTiO2/SiO2系材料を用いる光回路について述べる。
(Fourth embodiment)
In this embodiment, a multichannel optical variable attenuator having a thermo-optic light modulator of the present invention having a TiO 2 / SiO 2 material as a second core and an arrayed waveguide diffraction grating are integrated on a single substrate. An optical circuit using a TiO 2 / SiO 2 material in order to achieve temperature independence of the center wavelength in an arrayed waveguide diffraction grating will be described.
そこで、少なくとも必要箇所、ここではつまり、熱光学光変調器のヒータ下部と、アレイ導波路回折格子の光路差を与えるアレイ導波路部、好ましくは上記必要箇所のみに、dn/dTが異なる材料のコアをスポットサイズ変換器を介し配置し、その他の回路部分は石英系の材料を用いて作製することで回路全体の低損失化を図る。 Therefore, at least a necessary part, that is, a lower part of the heater of the thermo-optic light modulator and an arrayed waveguide part that gives an optical path difference of the arrayed waveguide diffraction grating, preferably a material having a different dn / dT, preferably only at the necessary part. The core is arranged via a spot size converter, and other circuit parts are manufactured using a quartz-based material, thereby reducing the loss of the entire circuit.
ペルチェ素子などの温度調節器を用いずに、アレイ導波路回折格子において温度無依存化を実現するためには、式(3)の右辺をなるべく0に近づければ良い。そのために、本実施形態では、アレイ導波路回折格子のアレイ導波路は、屈折率温度係数の絶対値が大きく、かつ負の符号を有する屈折率温度係数を有する材料よりなるコアを含んでいるのである。 In order to achieve temperature independence in the arrayed waveguide diffraction grating without using a temperature controller such as a Peltier element, the right side of Equation (3) should be as close to 0 as possible. Therefore, in the present embodiment, the arrayed waveguide of the arrayed waveguide diffraction grating includes a core made of a material having a refractive index temperature coefficient having a large absolute value of the refractive index temperature coefficient and having a negative sign. is there.
本実施形態の光回路の作製方法はほぼ第1の実施形態に示した方法と同じであるので、ここでは、詳細は省略する。
図9(a)および(b)は、本発明の一実施形態に係る、同一基板上に、熱光学光変調器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路の作製方法を説明する図である。なお、図9(a)および(b)では、ヒータ、配線(電極)は図が煩雑になるのを防ぐために省略してある。また、図9(a)および(b)では、図面を見やすくするために、コアを細線で示している。
Since the manufacturing method of the optical circuit of this embodiment is almost the same as the method shown in the first embodiment, the details are omitted here.
FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating a method for manufacturing an optical circuit in which a thermo-optic light modulator and an arrayed waveguide diffraction grating are integrated on the same substrate according to an embodiment of the present invention. is there. In FIGS. 9A and 9B, the heater and the wiring (electrode) are omitted in order to prevent the drawing from being complicated. Further, in FIGS. 9A and 9B, the core is indicated by a thin line in order to make the drawing easy to see.
まず、基板91上に、アンダークラッド、第一のコアとなるガラス92(GeO2を添加したSiO2)を堆積後、負の大きな絶対値を有する屈折率温度係数を有するTiO2/SiO2の混合膜をガラス92上に堆積する。その後、後に形成されるヒータ下部に、両端部がテーパー部94となるように、第二のコアとしてのコア93を形成する。それと共に、基板91に集積するアレイ導波路回折格子97のアレイ部の一部にもスポットサイズ変換器とともに、第二のコアを形成する。すなわち、両端部がテーパー部96となるように、第二のコアとしてのコア95を形成するのである(図9(a))。図9(a)において、テーパー部94、96がスポットサイズ変換器として機能する。
First, on the
さらに、ガラス92を加工して第一のコア98およびスラブ導波路99を形成後、クラッドでこれらを埋め込み、ヒータを含む電気配線を形成することで、同一基板上に光可変減衰器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路を得ることができる(図9(b))。
Further, the
以上のように作製した光可変減衰器とアレイ導波路回析格子とを集積した光回路について、回路評価を実施した。アレイ導波路回折格子の中心波長温度依存性を調べたところ、1pm/℃の変化しか認められなかった。これは、通常の石英からなるアレイ導波路回折格子の1/10以下である。また、光可変減衰器を完全に消光するのに必要な電力は9mWであった。これは、石英系導波路のみで作製した同じ構造に必要な電力に比べ6分の1程度であった。また損失については、石英系導波路のみで作製した同じ構造に比べ、過剰損失は0.6dBと僅かな損失増加であることを確認した。 Circuit evaluation was performed on the optical circuit in which the optical variable attenuator and the arrayed waveguide diffraction grating manufactured as described above were integrated. When the temperature dependence on the center wavelength of the arrayed waveguide diffraction grating was examined, only a change of 1 pm / ° C. was observed. This is 1/10 or less of an arrayed waveguide diffraction grating made of ordinary quartz. The power required to completely extinguish the optical variable attenuator was 9 mW. This was about one-sixth of the power required for the same structure fabricated with only a quartz-based waveguide. Regarding the loss, it was confirmed that the excess loss was a slight increase of 0.6 dB compared to the same structure manufactured only with the silica-based waveguide.
以上説明したように、従来、単一基板上に、単一材料のみを用いて、光可変減衰器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路を作製した場合、材料損失が大きい、また、導波路コアサイズが小さくなることによる安定したカップラーの作製が困難であった。これらの問題に対し、本実施形態で作製したように、必要な箇所のみに負の大きな屈折率温度係数を持つ材料からなるコアをスポットサイズ変換器を介し配置し、それ以外の箇所を実績ある石英系の材料とすることで、光可変減衰器の低消費電力化と同時に、同一基板上にて、アレイ導波路回折格子の温度無依存化を同時に果たし、かつ低損失であるという光回路が実現可能となる。 As described above, conventionally, when an optical circuit in which an optical variable attenuator and an arrayed waveguide diffraction grating are integrated on a single substrate using only a single material, material loss is large. It has been difficult to produce a stable coupler by reducing the waveguide core size. For these problems, as produced in this embodiment, a core made of a material having a large negative refractive index temperature coefficient is disposed only in a necessary portion via a spot size converter, and other portions are proven. By using a quartz-based material, an optical circuit that achieves temperature dependence of the arrayed waveguide diffraction grating on the same substrate at the same time as low power consumption of the optical variable attenuator and low loss is achieved. It becomes feasible.
以上説明したように、本発明の一実施形態によれば、熱光学光変調器の消費電力の低減を目的に、石英ガラスよりもdn/dTの絶対値が大きな材料を用いて熱光学光変調器を作製しようとするとファイバーとの接続損が増大し、材料損失による伝播損失が増大するといった問題に対し、少なくとも熱光学効果を利用する箇所、具体的には、ヒータ下部の部分、好ましくは該部分のみに、スポットサイズ変換器を用いてdn/dTの絶対値が大きな材料の導波路を設置する。これによって、ファイバーとの接続損、材料損失による伝播損失の増大を抑制し低消費電力化が実現できる効果がある。 As described above, according to one embodiment of the present invention, for the purpose of reducing the power consumption of the thermo-optic light modulator, thermo-optic light modulation is performed using a material having a larger absolute value of dn / dT than quartz glass. When the device is manufactured, the connection loss with the fiber increases and the propagation loss due to material loss increases. At least a portion using the thermo-optic effect, specifically, the lower portion of the heater, preferably the A waveguide made of a material having a large absolute value of dn / dT is installed only in the portion using a spot size converter. As a result, an increase in propagation loss due to a connection loss with a fiber and a material loss can be suppressed and power consumption can be reduced.
また、従来技術では、dn/dTの絶対値が大きな材料だけを用いて、アレイ導波路回折格子回路と、熱光学光変調器とを用いた回路を集積して一度に作製しようとすると、アレイ導波路回折格子回路の温度無依存化が困難であった。しかしながら、本発明の一実施形態によると、少なくとも必要な箇所、好ましくは該必要な箇所のみにスポットサイズ変換器を介し負のdn/dTの絶対値が大きな材料からなる導波路を形成できるため、既存のアレイ導波路回折格子回路の特性を維持したまま、低消費電力が可能な熱光学光変調器を用いた光減衰器と、温度無依存化なアレイ導波路回折格子回路とを同一基板に集積可能となる。 Further, in the conventional technique, when only a material having a large absolute value of dn / dT is used and an array waveguide diffraction grating circuit and a circuit using a thermo-optic light modulator are integrated and manufactured at once, an array is obtained. It was difficult to make the waveguide grating circuit temperature independent. However, according to an embodiment of the present invention, a waveguide made of a material having a large absolute value of negative dn / dT can be formed via a spot size converter at least at a necessary place, preferably only at the necessary place. An optical attenuator using a thermo-optic optical modulator capable of low power consumption while maintaining the characteristics of an existing arrayed waveguide grating circuit and a temperature-independent arrayed waveguide grating circuit on the same substrate Accumulation is possible.
1 基板
2 クラッド
3 第一のコア
4 第二のコア
5 テーパー部
6 ヒータ
7 配線
8 スポットサイズ変換器
DESCRIPTION OF
Claims (7)
第一のコアと、
前記第一のコア上または前記第一のコアの内部に形成された、前記第一のコアと屈折率が異なり、前記第一のコアよりも屈折率の温度係数が大きい材料からなる第二のコアと、
前記第一のコアと前記第二のコアとを接続するスポットサイズ変換器と、
前記第二のコアに温度を加えるように前記クラッド層上に形成されたヒータとを備え、
前記第一のコアは、前記第二のコアよりも伝搬損失が小さい材料からなり、
前記コアは、前記第一のコアおよび前記第二のコアを含み、
前記第一のコアおよび前記第二のコアのうち、屈折率が高い方のコアの、屈折率の低い方のコアとの光学的な接続部に前記スポットサイズ変換器が形成されており、
前記クラッド層に形成されたヒータの下部には少なくとも前記第二のコアが形成されていることを特徴とする熱光学光変調器。 A thermo-optic light modulator comprising a buried optical waveguide with a core buried in a cladding layer,
The first core,
The second core is formed of a material having a refractive index different from that of the first core and having a higher temperature coefficient of refractive index than that of the first core. The core,
A spot size converter connecting the first core and the second core;
A heater formed on the cladding layer to apply temperature to the second core,
The first core is made of a material having a smaller propagation loss than the second core,
The core includes the first core and the second core;
Among the first core and the second core, the spot size converter is formed in an optical connection portion between the core having a higher refractive index and the core having a lower refractive index,
A thermo-optic light modulator, wherein at least the second core is formed below a heater formed in the clad layer.
出力側に形成された第二の3dB結合器とをさらに備え、
前記第一の3dB結合器と前記第二の3dB結合器とは、2本の前記埋め込み型光導波路にて連結されていることを特徴とする請求項1記載の熱光学光変調器。 A first 3 dB coupler formed on the input side;
A second 3 dB coupler formed on the output side,
2. The thermo-optic light modulator according to claim 1, wherein the first 3 dB coupler and the second 3 dB coupler are connected by the two buried optical waveguides.
前記熱光学光変調器と同一の基板に形成された、前記第二のコアよりも小さい屈折率の温度係数を有する材料からなるコアを含むアレイ導波路を有する、アレイ導波路回折格子と
を備えることを特徴とする光回路。 A thermo-optic light modulator according to claim 1;
An arrayed waveguide diffraction grating having an arrayed waveguide formed on the same substrate as the thermo-optic light modulator and including a core made of a material having a temperature coefficient of refractive index smaller than that of the second core. An optical circuit characterized by that.
前記熱光学光変調器と同一の基板に形成された、前記第一のコアよりも大きく、かつ負の屈折率の温度係数を有する材料からなるコアを含むアレイ導波路を有する、アレイ導波路回折格子とを備え、
前記アレイ導波路の両端には、スポットサイズ変換器が形成されていることを特徴とする光回路。
A thermo-optic light modulator according to claim 1;
An arrayed waveguide diffraction having an arrayed waveguide formed on the same substrate as the thermo-optic light modulator and including a core made of a material having a temperature coefficient of negative refractive index larger than that of the first core. With lattice,
An optical circuit, wherein spot size converters are formed at both ends of the arrayed waveguide.
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