JP2006003619A

JP2006003619A - マッハツェンダ型光変調器

Info

Publication number: JP2006003619A
Application number: JP2004179757A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Harada; 伸一原田; Yosuke Tateishi; 陽介立石
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: JP4538721B2

Abstract

【課題】環境温度が変化しても消光比が劣化しないマッハツェンダ型光変調器を提供すること。
【解決手段】電気光学効果を有する基板１と、該基板１に形成された二つの干渉腕光導波路２３、２３’をもつマッハツェンダ型光導波路２と、該二つの干渉腕光導波路２３、２３’の温度を一定にする温度制御体１４、１４、１６、１６’と、を有することを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。
環境温度が変化しても二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動が温度制御体で一定にされるので、動作点が変動し消光比が劣化することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は信号光を入力して強度変調された信号光を出力するマッハツェンダ型光変調器に関し、さらに詳しくは光ファイバ通信システム、電界センサー或いは繰り返しレーザパルスのパルス間引き器などに使用可能な温度ドリフト（温度変動による出力光の変動）の少ないマッハツェンダ型光変調器に関する。

LiNbO3に代表される電気光学結晶を基板として作製されるマッハツェンダ型光変調器は、図９に示すように、一本の入力光導波路８１をＹ分岐８５で二本の干渉腕光導波路８２、８２’に分岐し、Ｙ分岐８５’で再び一本の出力光導波路８１’に交差させている（例えば、特許文献１参照）。入力光導波路８１に入力された信号光Ｉ₀はＹ分岐８５で二等分されてＩ₀／２となり、それぞれ干渉腕光導波路８２、８２’を伝播する。そしてＹ分岐８５’で合波され、出力光導波路８１’から出力される。二本の干渉腕光導波路８２、８２’の長さは等しくなるように作られており、理想的には図１０の点線で示す変調曲線に従って変調された信号光を出力する。すなわち、電極８３bを接地して電極８３aに電圧を印加しないと、干渉腕光導波路８２，８２’を伝播する二等分された信号光に位相差が生じないので、二等分された信号光はそのまま足し算され出力光導波路８１’から出力される信号光はＩ₀でＯＮとなる。一方、電極８３ａに、二等分された信号光に位相差πが生じるＶπ電圧を印加すると、二等分された信号光がＹ分岐８５’で合波されると互いに打消し合い出力光導波路８１’から信号光が出力されずＯＦＦとなる。したがって、電圧を印加しない場合と印加した場合のＯＮ−ＯＦＦ消光比は０である。電極８３に電圧を印加すると位相差が生じるのは、電気光学効果で干渉腕光導波路８２，８２’の屈折率が変化するためである。

理想的には上記の通りであるが、実際は二本の干渉腕光導波路８２，８２’を全く同じに、すなわち、導波路の長さ、断面形状及び屈折率、電極との位置関係、などを同じにできないため、例えば、図１０の実線で示す変調曲線にシフトする。従ってこのシフトに起因して動作点がシフトし消光比が劣化する。しかもそのシフト量は個々の変調器の製造プロセスなどの影響を受け一定にすることができない。そこで、一方の干渉腕光導波路８２’の一部８４に干渉腕光導波路８２’と異なるドーパントをドープしてシフト量を調節することが行われている。しかし、折角調節したシフト量も環境温度が変化すると変動し、消光比が劣化する問題があった。すなわち、従来の光変調器は環境温度が変化すると動作点が変動しやすいため、ＯＮ−ＯＦＦ消光比を高く取りにくいという問題があった。
特開平１１−５２３１５公報

上記のように、従来のマッハツェンダ型光変調器では、環境温度が変化すると、動作点が変動しやすく消光比が劣化しやすいという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、環境温度が変化しても消光比が劣化しにくいマッハツェンダ型光変調器を提供することを目的とする。

この課題を解決するためになされた請求項１に係る発明はマッハツェンダ型光変調器であって、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された二つの干渉腕光導波路をもつマッハツェンダ型光導波路と、該二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動を一定にする温度制御体と、を有することを特徴としている。

環境温度が変化しても二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動が温度制御体で一定にされるので、動作点が変動しにくくなり消光比が劣化しにくくなる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、前記基板と前記温度制御体との間にあって、該温度制御体からの熱を前記二つの干渉腕光導波路に均一に作用させる熱均一部材をさらに有することを特徴としている。

温度制御体からの熱を熱均一部材を介して二つの干渉腕光導波路に均一に作用させることができ、環境温度が変化しても二つの干渉腕光導波路の温度がより一層一定化される。さらに、二つの干渉腕光導波路の温度変動を完全に一定にできなくても、二つの干渉腕光導波路の温度変動を一定にすることができる。これにより動作点が変動しにくくなり、消光比が劣化しにくくなる。また、少ない温度制御体で一定化することができる。より一層一定化されるので、消光比の劣化を抑え消光比を高くすることができる。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、前記熱均一部材が前記基板を収納するケースを兼ねていることを特徴としている。

基板がケースに収納され外気から遮断されているので、環境温度が変化しても二つの干渉腕光導波路の温度がより一層一定化される。

また、請求項４に係る発明は、請求項１ないし３に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、前記温度制御体が前記二つの干渉腕光導波路の一方及び他方と同一位置関係になるように配置されていることを特徴としている。

温度制御体が二つの干渉腕光導波路の一方及び他方と同一位置関係になるように配置されているので、少ない温度制御体で二つの干渉腕光導波路を均一に加熱でき温度の一定化が容易である。さらに、二つの干渉腕光導波路の温度変動を完全に一定にできなくても、二つの干渉腕光導波路の温度変動を一定にすることができる。これにより動作点が変動しにくくなり、消光比が劣化しにくくなる。

また、請求項５に係る発明は、請求項１ないし４に記載のマッハツェンダ型光変調器であって、さらに周囲との熱の流れを遮断する断熱容器を有することを特徴としている。

周囲との熱の流れを遮断する断熱容器を有するので二つの干渉腕光導波路の温度を長時間安定に一定化することができる。さらに、二つの干渉腕光導波路における温度変動を一定にしやすくなる。

二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動（二つの干渉腕導波路に与えられる温度変動）を一定にする温度制御体を有しているので、環境温度が変化しても二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動が温度制御体で一定にされ、動作点が変動し消光比が劣化することがない。

周囲との熱の流れを遮断する断熱容器を有するようにすることで二つの干渉腕光導波路の温度を長時間安定に一定化することができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の概略平面図であり、図２は図１のA1−A1断面図である。

マッハツェンダ型光変調器は、電気光学効果を有する基板１にマッハツェンダ型光導波路２と信号電極１３a、接地電極１３bと温度制御体１４、１４’及び温度センサ１５、１５’を形成したものである。

電気光学効果を有する基板１にはニオブ酸リチウム（LiNbO3）、タンタル酸リチウム（LiTaO3）などを使用することができる。ニオブ酸リチウムを使用する場合は、Ｘ板、Ｙ板、及びＺ板のいずれも使用できるが、温度変動による消光比の劣化を低減するためにはＸ板を使用することが好ましい。

マッハツェンダ型光導波路２は入力光導波路２１をＹ分岐２２で二本の干渉腕光導波路２３、２３’に分岐し、Ｙ分岐２２’で出力光導波路２１’に交差させたものである。

基板１にマッハツェンダ型光導波路２を形成するには、最初導波路パターンを転写形成するためのフォトレジストをスピンコータ等で塗布する。次に中心線Ｃ１及びＣ２（図１参照）に対称な導波路パターンが描画されているフォトマスクを用いて露光・現像を行い導波路パターンを形成する。次に導波路を形成するために例えばチタンを蒸着し、フォトレジストとその上のチタンを除去する。次に基板１を９００〜１１００°Ｃに加熱処理して、チタンを熱拡散させることでマッハツェンダ型光導波路２が形成される。

基板１に電極１３a、１３bを形成するには、最初電極パターンを転写するためのフォトレジストをスピンコータで塗布し、電極パターンが描画されているフォトマスクを用いて露光・現像を行い電極パターンを形成する。次に例えば電気メッキ法で金メッキを行い、金電極（信号電極１３a、接地電極１３b）を形成する。

一方の干渉腕光導波路２３の上に設けられた温度制御体１４と他方の干渉腕光導波路２３’の上に設けられた温度制御体１４’には、例えば酸化ルテニウム（RuO2）等の膜状ヒータやニクロム線を埋め込んだセラミックヒータなどを用いることができる。基板１に膜状ヒータを形成するには、最初温度制御体パターンを転写するためのフォトレジストを塗布し、中心線Ｃ１及びＣ２（図１参照）に対称な温度制御体パターンが描画されているフォトマスクを用いて露光・現像を行い、温度制御体パターンを形成する。次に例えば、RuO2粉末を水で練ったペーストを塗布し７００°Ｃで焼成し温度制御体１４、１４’を形成する。温度制御体１４、１４’は、中心線Ｃ１及びＣ２（或いはＣ３）を対称中心とする干渉腕光導波路２３、２３’上に形成されているので、温度制御体１４、１４’が干渉腕光導波路２３、２３’と同一位置関係に配置されていることになる。

干渉腕光導波路２３、２３’と中心線Ｃ１との交点に設けられた温度センサ１５、１５’には、例えば、膜状サーミスタ等を用いることができる。膜状サーミスタは、測温抵抗素子に半導性（Ba、Sr）TiO3などを用いたものである。

１０は入力光導波路２１に接続された入力光ファイバであり、１０’は出力光導波路２１’に接続された出力光ファイバである。

温度センサ１５、１５’及び温度制御体１４、１４’を図示しない温度コントローラに接続することで干渉腕光導波路２３、２３’の温度を環境温度に左右されることなく一定にして、消光比を高く維持することができる。あるいは、環境温度が変化しても、二つの干渉腕光導波路における温度変動を両者で一定にすることで、消光比を高く維持することができる。

次に第２の実施形態のマッハツェンダ型光変調器を図３、４を用いて説明する。図３は第２の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の概略平面図であり、図４は図３のA2−A2断面図である。なお、第１の実施形態と同じ構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。また、第１の実施形態の電極１３a、１３b及び光ファイバ１０、１０’は省略してある。

第２の実施形態では、基板１と温度制御体１６、１６’の間に熱均一部材１７を設けている点と、温度制御体１６、１６’が温度センサを内蔵している点以外は第１の実施形態と同じである。すなわち、第１の実施形態では温度制御体１４、１４’が基板１の干渉腕光導波路２３、２３’に直接設けられたが、第２の実施形態では、温度制御体１６、１６’が熱均一部材１７に設けられている。また、第１の実施形態では温度制御体１４、１４’と温度センサ１５、１５’が分離していたが、第２の実施形態では温度制御体１６、１６’が温度センサを内蔵している。

熱均一部材１７は、例えば、金属製の箱状をしており、Ｙ分岐２２からＹ分岐２２’の間の光導波路を覆うように基板１に取り付けられている。金属としては熱伝導率の高いアルミ等が好ましい。

温度制御体１６、１６’は、例えばヒータとサーミスタを内蔵した市販の温度制御チップであり、形状、大きさ、仕様・性能が同じである。温度制御体１６と１６’はそれぞれ中心線Ｃ２を対称中心とするように熱均一部材１７に取り付けられている。また、温度制御体１６と１６’は中心線Ｃ１を対称中心とするように熱均一部材１７に取り付けられている。すなわち、温度制御体１６’は温度制御体１６の中心線Ｃ１を対称中心とする対称位置に位置している。

温度制御体１６、１６’を図示しない温度コントローラに接続することで干渉腕光導波路２３、２３’の温度を環境温度に左右されることなく一定にして、消光比を高く維持することができる。しかも本実施形態では、熱均一部材１７を介して干渉腕光導波路２３、２３’を加熱制御するので、温度制御体の数を第１実施形態に比べ１／２に減らすことができ、低コスト化が図れる。なお、温度制御体１６、１６’に、例えばペルチェ素子とサーミスタを内蔵した温度制御チップを用いることもできる。温度制御チップだけで加熱と冷却ができるので、一定温度にするまでの時間を短縮できる。

次に第３の実施形態のマッハツェンダ型光変調器を図５〜７を用いて説明する。図５は第３の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の概略平面図であり、図６は図５のA3−A3断面図、図７は図５のA4−A4断面図である。なお、第１、第２の実施形態と同じ構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。また、第１の実施形態の電極１３a、１３bは省略してある。

第３の実施形態は、第２の実施形態の熱均一部材１７を基板１を収納するケース１８に変更し、ケース１８の上面１８１と下面１８１’に温度制御体１６、１６’を取り付けた点以外は、第２の実施形態と同じである。図６に示すように、二つの温度制御体１６は、それぞれ二つの干渉腕光導波路２３、２３’の中心線Ｃ３と中心を同じにしている。同様に、図７に示すように、二つの温度制御体１６’も、それぞれ二つの干渉腕光導波路２３、２３’の中心線Ｃ３と中心を同じにしている。したがって、断面においてそれぞれの温度制御体１６、１６’と干渉腕光導波路２３、２３’とは同一位置関係にある。また、図５に示すように、温度制御体１６と１６’は、干渉腕光導波路２３、２３’の対称中心Ｃ１を対称中心とするように配置されているので、平面においてもそれぞれの温度制御体１６、１６’と干渉腕光導波路２３、２３’とは同一位置関係にある。

温度制御体１６、１６’を図示しない温度コントローラに接続することで干渉腕光導波路２３、２３’の温度を環境温度に左右されることなく一定にしやすくなり、消光比を高く維持することができる。また、干渉腕光導波路２３、２３’の温度を完全に一定にできなくなくても、二つの干渉腕光導波路２３、２３’における温度変動を一定にしやすくなり、消光比を高く維持することができる。しかも本実施形態では、基板１をケース１８に収納し、ケース１８の上面１８１と下面１８１’に温度制御体１６、１６’を設けたので、より一層環境温度変動の影響を受けずに消光比を高く維持することができる。

次に第４の実施形態のマッハツェンダ型光変調器を図８を用いて説明する。図８は、第４の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の断面図である。本実施形態のマッハツェンダ型光変調器は、前記第３の実施形態のマッハツェンダ型光変調器を断熱容器１９に収納したものであり、第３実施形態と同じ要素には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、図８では光導波路２を省略してあるが、第３の実施形態と同様に温度制御体１６、１６’と干渉腕光導波路２３、２３’とは同一位置関係にある。断熱容器１９は、セラミックスや、発泡スチロール、断熱スポンジなどで構成することができる。断熱容器１９に収納する代わりに第３の実施形態のケース入りマッハツェンダ型光変調器のケースの外周面に断熱材を貼り付けてもよい。図８の断熱容器１９は、例えば、厚さ５ｍｍの断熱スポンジで構成されている。

本実施形態では、第３の実施形態のケース入りマッハツェンダ型光変調器を断熱容器１９に収納したので、干渉腕光導波路と外気との間の熱の流れが遮断され、環境温度が変動しても干渉腕光導波路の温度を高精度に一定にすることができる。

本実施例のマッハツェンダ型光変調器は、図５〜７に示す第３の実施形態の光変調器であり、ヒータとサーミスタが内蔵された温度制御チップ１６、１６’が熱伝導性接着剤でケース１８の上面１８１と下面１８１’に固定されている。それぞれ２個づつの温度制御チップ１６、１６’を図示しない温度コントローラに接続してチップ１６、１６’の温度を４０°Ｃになるように制御した。チップ１６、１６’の温度を４０°Ｃに制御しながら環境温度を１０〜４０°Ｃの範囲で変動させたところ、ケース１８の外周面での最大温度変動分布誤差が０．１〜０．２°Ｃであった。

環境温度を１０〜４０°Ｃに変動させながら、図５〜７では省略された電極１３a、電極１３b（図１参照）間に変調電圧を印加し、入力ファイバ１０から信号光を入射させ出力光ファイバ１０’から出力される信号光を光検出器で検出したところ、２５ｄｂの消光比が得られた。

本実施例のマッハツェンダ型光変調器は、図８に示す第４の実施形態の光変調器である。すなわち、実施例１の光変調器を断熱容器１９に収納したものである。

環境温度を１０〜４０°Ｃに変動させながら、図８では省略された電極１３a、電極１３b（図１参照）間に変調電圧を印加し、入力ファイバ１０から信号光を入射させ出力光ファイバ１０’から出力される信号光を光検出器で検出したところ、４０ｄｂの消光比が得られた。

［比較例１］
本比較例のマッハツェンダ型光変調器は、実施例１の光変調器から温度制御チップ１６、１６’を除去したものである。

環境温度を１０〜４０°Ｃに変動させながら、図５〜７では省略された電極１３a、電極１３b（図１参照）間に変調電圧を印加し、入力ファイバ１０から信号光を入射させ出力光ファイバ１０’から出力される信号光を光検出器で検出したところ、最大でも１５ｄｂの消光比しか得られなかった。

第１の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の平面図である。図１のA1−A1断面図である。第２の実施形態のマッハツェンダ型光変調器の平面図である。図３のA2−A2断面図である。第３の実施形態及び第１実施例のマッハツェンダ型光変調器の平面図である。図５のA3−A3断面図である。図５のA4−A4断面図である。第４の実施形態及び第２実施例のマッハツェンダ型光変調器の断面図である。従来のマッハツェンダ型光変調器の平面図である。変調電圧と出力光の関係を示す変調曲線である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・・・基板
２・・・・・・・・・・・・・・マッハツェンダ型光導波路
１４、１４’、１６、１６’・・温度制御体
１７・・・・・・・・・・・・・熱均一部材
１８・・・・・・・・・・・・・ケース
１９・・・・・・・・・・・・・断熱容器
２３、２３’・・・・・・・・・干渉腕光導波路

Claims

電気光学効果を有する基板と、
該基板に形成された二つの干渉腕導波路をもつマッハツェンダ型光導波路と、
該二つの干渉腕光導波路の温度又は温度変動を一定にする温度制御体と、
を有することを特徴とするマッハツェンダ型光変調器。
前記基板と前記温度制御体との間にあって、該温度制御体からの熱を前記二つの干渉腕光導波路に均一に作用させる熱均一部材をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のマッハツェンダ型光変調器。
前記熱均一部材が前記基板を収納するケースを兼ねていることを特徴とする請求項２に記載のマッハツェンダ型光変調器。
前記温度制御体が前記二つの干渉腕光導波路の一方及び他方と同一位置関係になるように配置されていることを特徴とする請求項１ないし３に記載のマッハツェンダ型光変調器。
さらに周囲との熱の流れを遮断する断熱容器を有することを特徴とする請求項１ないし４に記載のマッハツェンダ型光変調器。