特開 2023-113352 光デバイス、位相シフタ及び光通信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023113352

(43)【公開日】2023-08-16

(54)【発明の名称】光デバイス、位相シフタ及び光通信装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/01 20060101AFI20230808BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20230808BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20230808BHJP

【ＦＩ】

G02F1/01 F

G02B6/122

G02B6/12 361

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022015669

(22)【出願日】2022-02-03

(71)【出願人】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉山 昌樹

【テーマコード（参考）】

2H147

2K102

【Ｆターム（参考）】

2H147AA01

2H147AB02

2H147AB04

2H147AB05

2H147AB11

2H147AC05

2H147BA05

2H147BD01

2H147CD02

2H147DA08

2H147DA11

2H147EA13A

2H147EA13C

2H147EA14B

2H147GA10

2H147GA19

2H147GA29

2K102AA28

2K102BA01

2K102BB04

2K102BC10

2K102BD01

2K102CA11

2K102DA05

2K102DB10

2K102DD03

2K102EA05

(57)【要約】

【課題】ヒータ電極への駆動電流量を抑制しながら、光の挿入損失を低減できる光デバイス等を提供する。
【解決手段】光デバイスは、基板と、前記基板上に積層された誘電体と、前記誘電体に囲まれた光導波路と、当該光導波路上に配置され、前記誘電体に囲まれたヒータ電極と、を有する。前記光導波路は、スラブ上にリブを備え、前記ヒータ電極の下方にあるリブ型光導波路であって、前記スラブの幅を前記リブの幅の１１倍以下にする構造を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に積層された誘電体と、
前記誘電体に囲まれた光導波路と、
当該光導波路上に配置され、前記誘電体に囲まれたヒータ電極と、を有し、
前記光導波路は、
スラブ上にリブを備え、前記ヒータ電極の下方にあるリブ型光導波路であって、前記スラブの幅を前記リブの幅の１１倍以下にする構造を有することを特徴とする光デバイス。

【請求項2】

前記光導波路は、
前記ヒータ電極に供給する駆動電流量が、前記リブ型光導波路の前記リブの厚みと同一とするチャネル型光導波路使用時に比較して１倍よりも大きく、かつ、１．２倍以下になるように、前記スラブの幅が前記リブの幅の１１倍以下にする構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項3】

前記ヒータ電極下の前記光導波路は、
Ｎ本の直線部を折り返し、折り返されたＮ本の直線部を並列に配置し、前記スラブの幅を前記リブの幅の１１Ｎ倍以下にする構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。

【請求項4】

前記光導波路は、
前記直線部と、前記直線部を折り返す折り返し部とを有し、
前記直線部は、
リブ型光導波路で構成し、
前記折り返し部は、
チャネル型光導波路で構成することを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。

【請求項5】

前記直線部と前記折り返し部との間の接合部は、
前記直線部から前記折り返し部に向かって前記スラブの幅が徐々に狭くなる構造を有することを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。

【請求項6】

基板と、
前記基板上に積層された誘電体と、
前記誘電体に囲まれた光導波路と、
当該光導波路上に配置され、前記誘電体に囲まれたヒータ電極と、を有し、
前記光導波路は、
スラブ上にリブを備え、前記ヒータ電極の下方にあるリブ型光導波路であって、前記スラブの幅を前記リブの幅の１１倍以下にする構造を有することを特徴とする位相シフタ。

【請求項7】

電気信号に対する信号処理を実行するプロセッサと、
光を発生させる光源と、
前記プロセッサから出力される電気信号を用いて、前記光源から発生する光を変調する光変調器と、を有する光通信装置であって、
前記光変調器内の位相シフタは、
基板と、
前記基板上に積層された誘電体と、
前記誘電体に囲まれた光導波路と、
当該光導波路上に配置され、前記誘電体に囲まれたヒータ電極と、を有し、
前記光導波路は、
スラブ上にリブを備え、前記ヒータ電極の下方にあるリブ型光導波路であって、前記スラブの幅を前記リブの幅の１１倍以下にする構造を有することを特徴とする光通信装置。

【請求項8】

光を発生させる光源と、
前記光源からの光を用いて受信光信号を復調する光受信器と、を有する光通信装置であって、
前記光受信器内の位相シフタは、
基板と、
前記基板上に積層された誘電体と、
前記誘電体に囲まれた光導波路と、
当該光導波路上に配置され、前記誘電体に囲まれたヒータ電極と、を有し、
前記光導波路は、
スラブ上にリブを備え、前記ヒータ電極の下方にあるリブ型光導波路であって、前記スラブの幅を前記リブの幅の１１倍以下にする構造を有することを特徴とする光通信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光デバイス、位相シフタ及び光通信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高速の光通信に使用される光通信装置内の光変調器及び光受信器には位相シフタが内蔵されている。位相シフタは、ヒータ熱で光導波路内の温度を上昇させ、温度上昇による光導波路内の屈折率が変化し、屈折率の変化に応じて光導波路内を通過する信号光の位相をシフトさせることになる。

【0003】

図１５は、従来の位相シフタ２００の一例を示す平面模式図、図１６は、位相シフタ２００の図１５に示すＨ－Ｈ線略断面図である。図１５に示す位相シフタ２００は、Ｓｉ基板２０１と、誘電体２０２と、光導波路２０３と、ヒータ電極２０４と、電極パッド２０５とを有する。誘電体２０２は、Ｓｉ基板２０１上に積層され、Ｓｉ基板２０１上に配置された光導波路２０３の周囲及び光導波路２０３上に配置されたヒータ電極２０４の周囲を囲っている。

【0004】

誘電体２０２は、例えば、ＳｉＯ_２等で形成されるクラッド層である。光導波路２０３は、例えば、Ｓｉで形成され、信号光が通過するチャネル型導波路である。ヒータ電極２０４は、例えば、Ｔｉ等の抵抗のある金属で形成され、駆動電流に応じてヒータ熱を発生し、光導波路２０３内の温度を上昇させる。電極パッド２０５は、ヒータ電極２０４と接続し、ヒータ電極２０４に電流を入力する入力側の電極パッド２０５Ａと、ヒータ電極２０４から電流を出力する出力側の電極パッド２０５Ｂとを有する。

【0005】

位相シフタ２００は、ヒータ電極２０４への駆動電流に応じてヒータ熱が発生し、このヒータ熱で光導波路２０３内の温度を上昇させる。更に、光導波路２０３は、温度上昇によるＳｉの熱光学効果に応じて光導波路２０３内の屈折率が変化する。更に、位相シフタ２００は、屈折率の変化に応じて光導波路２０３内を通過する信号光の位相をシフトする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１９／２５８０９４号明細書

【特許文献2】国際公開第２０１６／９２８２９号

【特許文献3】米国特許第９４７７０３９号明細書

【特許文献4】特開２００３－２２８０３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の位相シフタ２００では、チャネル型光導波路を使用するため、光の伝搬損失が大きくなるため、ヒータ電極２０４への駆動電流量を高くすることになる。そこで、ヒータ電極２０４への駆動電流量を小さくするためにヒータ電極２０４の電極長を長くすることも考えられるが、ヒータ電極２０４の電極長を長くすると、光の挿入損失が大きくなる。

【0008】

一つの側面では、ヒータ電極への駆動電流量を抑制しながら、光の挿入損失を低減できる光デバイス等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

一つの態様の光デバイスは、基板と、基板上に積層された誘電体と、誘電体に囲まれた光導波路と、当該光導波路上に配置され、誘電体に囲まれたヒータ電極と、を有する。光導波路は、スラブ上にリブを備え、ヒータ電極の下方にあるリブ型光導波路である。光導波路は、スラブの幅をリブの幅の１１倍以下にする構造を有する。

【発明の効果】

【0010】

一つの側面によれば、ヒータ電極への駆動電流量を抑制しながら、光の挿入損失を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本実施例の光通信装置の一例を示す説明図である。

【図2】図２は、実施例１の位相シフタの一例を示す平面模式図である。

【図3】図３は、位相シフタの図２に示すＡ－Ａ線略断面図である。

【図4】図４は、比較例の位相シフタの略断面図である。

【図5】図５は、位相シフタの駆動電流量とスラブ幅/リブ幅との関係の一例を示す説明図である。

【図6】図６は、実施例２の位相シフタの一例を示す平面模式図である。

【図7】図７は、位相シフタの図６に示すＢ－Ｂ線略断面図である。

【図8】図８は、実施例３の位相シフタの一例を示す平面模式図である。

【図9】図９は、位相シフタの図８に示すＣ－Ｃ線略断面図である。

【図10】図１０は、位相シフタの図８に示すＤ－Ｄ線略断面図である。

【図11】図１１は、実施例４の位相シフタの一例を示す平面模式図である。

【図12】図１２は、位相シフタの図１１に示すＥ－Ｅ線略断面図である。

【図13】図１３は、位相シフタの図１１に示すＦ－Ｆ線略断面図である。

【図14】図１４は、位相シフタの図１１に示すＧ－Ｇ線略断面図である。

【図15】図１５は、従来の位相シフタの一例を示す平面模式図である。

【図16】図１６は、従来の位相シフタの図１５に示すＨ－Ｈ線略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本願が開示する光デバイス等の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。

【実施例0013】

図１は、本実施例の光通信装置１の一例を示す説明図である。図１に示す光通信装置１は、出力側の光ファイバ２Ａ（２）及び入力側の光ファイバ２Ｂ（２）と接続する。光通信装置１は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）３と、光源４と、光変調器５と、光受信器６とを有する。ＤＳＰ３は、デジタル信号処理を実行する電気部品である。ＤＳＰ３は、例えば、送信データの符号化等の処理を実行し、送信データを含む電気信号を生成し、生成した電気信号を光変調器５に出力する。また、ＤＳＰ３は、受信データを含む電気信号を光受信器６から取得し、取得した電気信号の復号等の処理を実行して受信データを得る。

【0014】

光源４は、例えば、レーザダイオード等を備え、所定の波長の光を発生させて光変調器５及び光受信器６へ供給する。光変調器５は、ＤＳＰ３から出力される電気信号によって、光源４から供給される光を変調し、得られた光送信信号を光ファイバ２Ａに出力する光デバイスである。光変調器５は、位相シフタ１０等を備えた光変調器等である。光変調器５は、光源４から供給される光が導波路を伝搬する際に、この光を変調部へ入力される電気信号によって変調することで、光送信信号を生成する。位相シフタ１０は、光導波路１３を通過する信号光の位相をシフトする。

【0015】

光受信器６は、光ファイバ２Ｂから光信号を受信し、光源４から供給される光を用いて受信光信号を復調する。そして、光受信器６は、復調した受信光信号を電気信号に変換し、変換後の電気信号をＤＳＰ３に出力する。尚、光受信器６にも、位相シフタ１０等を備えている。

【0016】

図２は、実施例１の位相シフタ１０の一例を示す平面模式図、図３は、位相シフタ１０の図２に示すＡ－Ａ線略断面図である。図２に示す位相シフタ１０は、Ｓｉ基板１１と、誘電体１２と、光導波路１３と、ヒータ電極１４と、電極パッド１５とを有する。

【0017】

誘電体１２は、Ｓｉ基板１１上に積層され、Ｓｉ基板１１上に配置された光導波路１３の周囲及び光導波路１３上に配置されたヒータ電極１４の周囲を囲っている。誘電体１２は、例えば、ＳｉＯ_２等で形成される。誘電体１２内の光導波路１３は、例えば、Ｓｉで形成され、信号光が通過する導波路である。誘電体１２内のヒータ電極１４は、例えば、Ｔｉ等の抵抗のある金属で形成され、駆動電流に応じてヒータ熱を発生し、ヒータ熱で光導波路１３内の温度を上昇させる。電極パッド１５は、ヒータ電極１４に電流を入力する入力側の電極パッド１５Ａと、ヒータ電極１４から電流を出力する出力側の電極パッド１５Ｂとを有する。

【0018】

光導波路１３は、スラブ１３Ｂ上にリブ１３Ａを備えるリブ型光導波路である。スラブ１３Ｂの幅寸法Ｘ２は、リブ１３Ａの幅寸法Ｘ１の１１倍以下とする。位相シフタ１０では、光導波路１３のスラブ１３Ｂの幅を制限することで熱の拡散を防ぎ、光導波路１３の加熱効率の低減を抑制する。更に、光の伝搬損失を小さくするためにはスラブ１３Ｂの幅はリブ１３Ａの幅より大きくする必要があるが、加熱効率を改善するためにはスラブ１３Ｂの幅を制限するのが効果的である。

【0019】

図４は、比較例の位相シフタ１００の略断面図である。図４に示す位相シフタ１００は、Ｓｉ基板１１と、誘電体１２と、光導波路１３０と、ヒータ電極１４とを有する。尚、図４に示す位相シフタ１００と図３に示す位相シフタ１０とが異なるところは、ヒータ電極１４下方に配置された光導波路１３０の構造にある。光導波路１３０は、スラブ１３０Ｂ上にリブ１３０Ａを備えるリブ型光導波路であるものの、スラブ１３０Ｂの幅寸法はリブ１３０Ａの幅寸法の１１倍を超える構造を有する。比較例の位相シフタ１００では、光導波路１３０として、チャネル型光導波路の代わりにリブ型光導波路を採用することで、光の伝搬損失を小さくし、光の挿入損失も小さくできる。

【0020】

ヒータ電極１４における光の損失は、光導波路１３の長さＬ及び単位長当たりの光の損失をαとした場合、αＬとする。チャネル型光導波路及びリブ型光導波路のリブの厚みが同一の場合の単位長当たりの光損失は、チャネル型光導波路の場合が０．２１ｄＢ／ｍｍ、リブ型光導波路の場合が０.１４ｄＢ／ｍｍである。光導波路１３の長さはチャネル型光導波路の場合が１．２ｍｍ、リブ型光導波路の場合が２０％増で１．４４ｍｍである。従って、光の挿入損失はチャネル型光導波路の場合は０．２５ｄＢ、リブ型光導波路の場合は０．２０ｄＢとなる。従って、リブ型光導波路の光の挿入損失は、チャネル型光導波路の光の挿入損失に比較して０．０５ｄＢ小さくなる。

【0021】

しかしながら、比較例の位相シフタ１００では、Ｓｉのスラブ幅が広く、Ｓｉの熱伝導率がＳｉＯ₂よりも大きいので、ヒータ電極１４で発生した熱がスラブ１３０Ｂで拡散し、光導波路１３０の加熱効率が低下する。その結果、比較例の位相シフタ１００では、位相シフタ１０に比較して駆動電流量を大きくすることになる。

【0022】

図５は、位相シフタ１０の駆動電流量とスラブ幅/リブ幅との関係の一例を示す説明図である。例えば、スラブ幅がリブ幅の１倍であるチャネル型の光導波路２０３のヒータ電極２０４の駆動電流量を“１”とする。そして、ヒータ電極１４の下方に配置された光導波路１３をチャネル型光導波路からリブ型光導波路に代えた場合には、消費電力の節減の観点から、ヒータ電極１４の駆動電流量をチャネル型光導波路の駆動電流量の１．２倍以下に抑える必要がある。

【0023】

そこで、比較例の位相シフタ１００のようにスラブ１３０Ｂの幅がリブ１３０Ａの幅の１１倍を超えるリブ型光導波路のヒータ電極１４への駆動電流量は、チャネル型光導波路のヒータ電極２０４への駆動電流量に比較して１．２倍を超える。これに対して、位相シフタ１０のようにスラブ１３Ｂの幅Ｘ２がリブ１３Ａの幅Ｘ１の１１倍以下のリブ型光導波路のヒータ電極１４への駆動電流量は、チャネル型光導波路のヒータ電極２０４への駆動電流量に比較して１．２倍以下に抑制できる。

【0024】

実施例１の位相シフタ１０では、ヒータ電極１４下のリブ型光導波路の光導波路１３を配置し、光導波路１３のスラブ１３Ｂの幅Ｘ２をリブ１３Ａの幅Ｘ１の１１倍以下にする構造にした。その結果、位相シフタ１０は、比較例の位相シフタ１００に比較して、ヒータ電極１４への駆動電流量を小さくしながら、光の挿入損失を低減できる。

【0025】

光通信装置１は、光変調器５と光受信器６とが１チップで集積されるため、光通信装置１全体の小型化に大きく貢献できる。

【0026】

尚、実施例１の位相シフタ１０では、ヒータ電極１４の下方に１本のリブ型の光導波路１３を配置する場合を例示した。しかしながら、ヒータ電極１４の下方にＮ本のリブ型の光導波路１３を折り返し配置しても良く、その場合の実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。

【実施例0027】

図６は、実施例２の位相シフタ１０Ａの一例を示す平面模式図である。図７は、位相シフタ１０Ａの図６に示すＢ－Ｂ線略断面図である。尚、実施例１の位相シフタ１０と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。実施例１の位相シフタ１０と実施例２の位相シフタ１０Ａとが異なるところは、リブ型光導波路の光導波路１３が折り返しの２本の直線部１３１をヒータ電極１４の下方に並列に配置した点にある。また、出力側の電極パッド１５Ｂ１は、ヒータ電極１４の入力側の電極パッド１５Ａと反対側に配置した。

【0028】

光導波路１３は、往路側の直線部１３１Ａ（１３１）と、復路側の直線部１３１Ｂ（１３１）と、往路側の直線部１３１Ａを復路側の直線部１３１Ｂに折り返す折り返し部１３２とを有する。更に、光導波路１３は、ヒータ電極１４の下方に、往路側の直線部１３１Ａ及び復路側の直線部１３１Ｂを並列に配置した。光導波路１３は、スラブ１３Ｂの幅寸法Ｘ２をリブ１３Ａの幅寸法Ｘ１の（１１×２）倍以下にする構造を有する。リブ型光導波路では、チャネル型光導波路に比較して光導波路１３への光の閉じ込めが小さく、小さい曲率半径で折り返し部１３２を構成した場合、光が放射して光損失が発生することになる。しかしながら、光導波路１３は、スラブ１３Ｂの幅寸法Ｘ２をリブ１３Ａの幅寸法Ｘ１の（１１×２）倍以下にする構造であるため、曲率半径が小さい折り返し部１３２を構成したとしても、ヒータ電極１４への駆動電流量を抑制しながら、光の挿入損失を低減できる。しかも、位相シフタ１０Ａのサイズを小型化できる。

【0029】

実施例２の位相シフタ１０Ａは、ヒータ電極１４下のリブ型導波路の往路側の直線部１３１Ａ及び復路側の直線部１３１Ｂを配置し、スラブ１３Ｂの幅寸法Ｘ２がリブ１３Ａの幅寸法Ｘ１の（１１×２）倍以下にした。その結果、位相シフタ１０Ａでは、光導波路１３を折り返し構造にした場合でも、ヒータ電極１４への駆動電流量を抑制しながら、光の挿入損失を低減できる。

【0030】

尚、実施例２の位相シフタ１０Ａでは、往路側の直線部１３１Ａ及び復路側の直線部１３１Ｂの２本の直線部１３１をヒータ電極１４の下方に並列に配置する場合を例示した。しかしながら、直線部１３１は２本に限定されるものではなく、２本以上であるＮ本の直線部１３１でも良い。この場合、光導波路１３は、スラブ１３Ｂの幅がリブ１３Ａの幅の（１１×Ｎ）倍以下にする構造であればよく、直線部１３１の本数Ｎは適宜変更可能である。