JP2008282057A - 光変調器および光変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調器において、動作点の制御を効率的に行えるようにする。
【解決手段】光変調器は、三次元光導波路５を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する。この光変調器は、少なくとも一対の分岐光導波路５ｂ、５ｃと、分岐光導波路の合波点５ｆとを含んでいる三次元光導波路５、合波点５ｆから放射されるオフモードの光を導波するスラブ型光導波路４、三次元光導波路５を伝搬する光を変調する信号電圧を印加するための変調用電極７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、スラブ型光導波路から放射される光を受光する光検知器１３、および光検知器１３からの出力に基づいて直流バイアスを変化させることによって、光変調器の動作点を制御する制御装置１５を備えている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光変調器に関するものである。

いわゆるマッハツェンダー型の光導波路を使用した進行波型高速光変調器が注目されている。このタイプの光変調器においては、一対の分岐型光導波路にそれぞれ光を伝搬させ、各分岐光導波路からの出力を合波点において合流させる。しかし、一対の分岐光導波路の間では、温度差などの原因によって動作点シフトが生ずることがあり、またいわゆるＤＣドリフトが生ずることがある。

こうした動作点のシフトやＤＣドリフトを制御する方法は幾つか提案されている。代表的なものとして、特開平３−１４５６２３号公報記載の方法では、一対の分岐光導波路の合波点から基板内部に放射される基板放射モードの光に着目している。即ち、オンモードの場合には、光導波路に入射した光は導波路内を伝搬し、導波路の端面から出射する。オフモードの光は、光導波路から基板内部に基板放射モードの光として放射される。基板の端面に光ファイバーを取り付けて基板放射モードの光を受光し、この光ファイバーからの出射光を光検知器によって検知する。光検知器からの出力信号を利用し、変調用電極から光導波路に印加される電圧の直流バイアスを変更し、光変調器の動作点を調節している。

しかし、基板内部を伝搬してくるオフモードの光は、基板と空気との境界面において反射され、散乱する。このような基板内部を散乱しながら伝搬してくる光を、基板端面に取り付けた光ファイバーによって効率的に受光することは困難である。このため、受光強度が低く、また不安定であって、動作点の効率的、安定的な制御が難しい。

本発明の課題は、光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調器において、動作点の制御を効率的に行えるようにすることである。

本発明は、三次元光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調器であって、少なくとも一対の分岐光導波路と、分岐光導波路の合波点とを含んでいる三次元光導波路、合波点から放射されるオフモードの光を導波するスラブ型光導波路、三次元光導波路を伝搬する光を変調する信号電圧を印加するための変調用電極、スラブ型光導波路から放射される光を受光する光検知器、および光検知器からの出力に基づいて、変調用電極に対する直流バイアスを変化させることによって、光変調器の動作点を制御する制御装置を備えていることを特徴とする。

また、本発明は、三次元光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調方法であって、少なくとも一対の分岐光導波路と、分岐光導波路の合波点とを含んでいる三次元光導波路、および三次元光導波路を伝搬する光を変調する信号電圧を印加するための変調用電極を備えている光変調器を使用し、合波点から放射されるオフモードの光をスラブモードで伝搬させ、このオフモードの光を受光し、受光した光に基づいて、変調用電極に対する直流バイアスを変化させることによって、光変調器の動作点を制御することを特徴とする。

本発明によれば、合波点から放射されるオフモードの光をスラブモードで伝搬させ、このオフモードの光を受光し、受光した光に基づいて直流バイアスを変化させている。スラブモード伝搬光は、基板放射モードの光の場合のような散乱による受光困難の問題はなく、高密度で二次元的に集光された状態で伝搬するものである。従って、光変調器におけるオフモードの光をスラブモード伝搬させ、この光を受光して動作点制御のためのフィードバックに利用することで、安定的な制御が可能となる。

図１〜図３を参照しつつ、本発明を更に説明する。この実施形態の光変調素子１においては、支持基板２の表面２ａに接着剤層３を介してスラブ型光導波路４の底面４ｄが接着されている。スラブ型光導波路４は、接着剤層３の屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなる平板である。平板４の表面４ａ側には、マッハツェンダー型の三次元光導波路５と、変調用電極７Ａ、７Ｂ、７Ｃとが形成されている。光導波路５は、入射部５ａ、一対の分岐光導波路５ｂ、５ｃおよび出射部５ｄを備えている。５ｅは分岐点であり、５ｆは合波点である。光変調器５を伝搬する光の制御方法や変調用電極の構成は周知であるので、説明を省略する。

オンモードの際には、図１、図３に示すように、三次元光導波路の出射部５ｄの端面５ｇから信号光が６のように出射する。この光６を光ファイバー２３によって伝送し、光ファイバー２３から矢印１１のように出射した光を光検知器１２によって検知する。

オフモードの際には、三次元光導波路からは光は出射しない。その代わりに、図２に示すように、合波点５ｆ付近からの光が矢印９のように平板４内を伝搬する。この際、平板４の厚さを適切に調節することによって、平板４がスラブ型光導波路として作用し、光９はスラブモード伝搬する。この光は、スラブ型光導波路４の端面４ｃから１０のように出射する。

スラブ型光導波路４の端面４ｃには光検知器１３が取り付けられており、スラブ型光導波路４内を伝搬してきた光９を受光する。光検知器１３においては、受光した光を電気信号に変換し、電線１４を通して矢印Ａのように制御装置１５へと伝送する。制御装置１５においては、オフモードの光の情報から、適切な直流バイアス値を算出し、制御信号を矢印Ｂのように電源制御装置１６へと伝送し、必要に応じて直流バイアス値を変更する。

スラブ型光導波路ないし二次元光導波路とは、光の伝搬する方向に対して垂直断面で見た場合に、特定方向（例えば図５の場合は上下方向）に光の閉じ込め機能を持つ、ある厚み以上の導波路のことをいい、１つ以上の導波モードを伝搬させる機能を持つものである。スラブモード伝搬光とは、このスラブ型光導波路ないし二次元光導波路内で、特定方向（例えば図５の場合は上下方向）に閉じ込められた状態で伝搬している光を言う。スラブモード伝搬光は、通常は複数の導波モードで伝搬するマルチモード伝搬光である。

スラブ型光導波路の厚さは特に限定されないが、使用する光の波長、光検知器の種類、光検知器の取り付け方向及びスラブ導波路を伝搬する光の集光性より、最適の効率になるように設定することが好ましい。具体例として、スラブ導波路としてニオブ酸リチウムを用い、下部クラッド層に低誘電率の接着層を用い、１.５５μｍの通信用波長帯を用いる場合には、スラブ導波路厚さが２０μｍ以下であることが好ましい。ただし、スラブ導波路部分が薄すぎる場合にはカットオフとなり、オフモードの光が接着層にしみだしてしまい、集光できなくなるので、スラブ導波路部分の厚さは３μｍ以上であることが必要である。

好適な実施形態においては、図３に示すように、スラブ型光導波路の端面に光検知器を取り付ける。これによって、光変調器の基板と別体の光検知器を外部に設ける必要がなく、また光変調器から出射したオフモードの光を光検知器へと伝送する光伝送部材が不要となる。

例えば、図１−図３に示すような構成において、スラブ型光導波路４や支持基板の材質としてニオブ酸リチウムを使用した場合、通常の光検知器における規格化感度は０．４Ａ／Ｗを安定して充分に上回る。これに対して、従来のように基板放射モードの光を受光すると、光検知器における規格化感度は高々０．４Ａ／Ｗ程度であり、かつ不安定である。

また、好適な実施形態においては、オフモードの光を受光するための光伝送部材を設け、この光伝送部材からの出射光を光検知器によって受光する。こうした光伝送部材としては、光ファイバーが好ましいが、フェルールなどでもよい。光検知器は、光変調器を収容するパッケージの壁面に取り付けることが好ましい。

光検知器においては、光強度を測定することが好ましいが、光の位相や波長を測定することもできる。また、光検知器の種類は限定されないが、例えば、１０Ｇｂ／ｓの電気信号で光の変調を行う場合には、検出するのに充分なバンド幅を持つ応答速度の速いＩｎＧａＡｓ系の光検知器等が用いられる。

合波点の形態は限定されない。各分岐光導波路は、合波点において交わっていてもよいが、空間的に離れていても良い。ただし、合波点において、各分岐光導波路を伝搬してきた光エネルギーが合流可能なことが必要である。

また、分岐光導波路は、一対は必要であるが、複数対存在していてもよい。いわゆるカスケード型の光導波路であってよい。

図４は、この実施形態に係る光変調器を示す。この光変調器の光変調素子１は、図３のものと同様である。図４においては、素子１のスラブ型光導波路４の出射側端面４ｃから離れた位置に光検知器１３を設置している。そして、光伝送部材２１を端面４ｃに対向するように取り付ける。スラブモードの伝搬光９は、端面４ｃから放射され、光伝送部材２１を矢印Ｄのように伝搬し、光検知器１３に入射する。

三次元光導波路とスラブ型光導波路との位置関係は特に限定されない。本発明においては、オンモードの光が三次元光導波路を伝搬し、オフモードの光がスラブ型光導波路を伝搬するように構成されていれば良い。

好適な実施形態においては、三次元光導波路とスラブ型光導波路とを、空間的に見て接触状態ないし連続状態とする。これによって、三次元光導波路の合波点からスラブ型光導波路への光エネルギー伝搬時の損失が少なくなる。

好適な実施形態においては、三次元光導波路が、スラブ型光導波路の構成材料の加工によって形成された部分からなる。こうした加工方法としては、プロトン交換法、チタン内拡散法、金属イオン拡散法を例示できる。こうした加工によって、三次元光導波路の構成材料の屈折率を、スラブ型光導波路の構成材料の屈折率よりも高くする。また、スラブ型光導波路の表面を機械加工やレーザーアブレーション加工によって除去することで、リッジ型の三次元光導波路を形成することができる。

好適な実施形態においては、三次元光導波路が、スラブ型光導波路から突出するリッジ型光導波路である。こうした三次元光導波路は、上述の方法で形成できる。あるいは、スラブ型光導波路の表面に、高屈折率膜を、例えば化学的気相成長法、物理的気相成長法、有機金属化学的気相成長法、スパッタリング法、液相エピタキシャル法によって形成し、この高屈折率膜を機械加工やレーザーアブレーション加工することによって、リッジ型の三次元光導波路を形成できる。

スラブ型光導波路を構成する材料は、強誘電性単結晶、ガラス、光学樹脂など、光の透過が可能な材料であればよい。ただし、強誘電性単結晶が好ましく、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、タンタル酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体、ＫＴＰを例示できる。

好適な実施形態においては、光変調器が、支持基板、およびこの支持基板とスラブ型光導波路とを接着し、スラブ型光導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する接着剤層を備えている。支持基板を構成する材料としては、前述のような強誘電性単結晶、ガラス、樹脂を好適に使用できる。接着剤としては、ガラスや樹脂が好ましい。

前述のガラスとしては、低誘電率で接着温度（作業温度）が約６００℃以下のものが好ましい。また、加工の際に十分な接着強度が得られるものが好ましい。具体的には、酸化珪素、酸化鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素等の組成を複数組み合わせた、いわゆるはんだガラスが好ましい。

前述の樹脂としては、室温硬化、加熱硬化、紫外線硬化型樹脂が好ましく、低誘電率の樹脂が好ましい。実際には、エポキシ系、アクリル系、ウレタン系の樹脂が特に好ましい。

図５〜図１０は、それぞれ、支持基板に対してスラブ型光導波路を接着する構造の光変調素子を、それぞれ端面側から見た正面図である。

図５の素子１においては、スラブ型光導波路４の上側面４ａから、導波路４の内部へと向かって高屈折率部分５が形成され、高屈折率部分５が三次元光導波路を構成している。

図６の素子１Ａにおいては、スラブ型光導波路４の厚さ方向に見た中央部分に高屈折率部分５が埋設されており、高屈折率部分５が三次元光導波路を構成している。

図７の素子１Ｂにおいては、スラブ型光導波路４の裏面４ｄからスラブ型光導波路の内部へと向かって高屈折率部分５が形成されており、高屈折率部分５が三次元光導波路を構成している。三次元光導波路５のうち、３面はスラブ型光導波路４に連続しており、１面（下側面）は接着剤３に対して接触している。従って、三次元光導波路５は、スラブ型光導波路４および接着剤層３によって包囲されている。

図８−図１０は、リッジ型の三次元光導波路を形成した例である。図８の素子１Ｃにおいては、スラブ型光導波路４の表面４ａ上にリッジ型の三次元光導波路２０が形成されている。なお、２０ａは光導波路２０の端面である。

図９の素子１Ｄにおいては、スラブ型光導波路４の底面４ｄ上にリッジ型の三次元光導波路２０が形成されている。そして、スラブ型光導波路４の底面４ｄは接着剤層３を介して支持基板２に接合されている。従って、リッジ型の三次元光導波路２０は、接着剤層３内に埋設された形となる。

図１０の素子１Ｅは、図８の素子１Ｃと同様のものである。ただし、素子１Ｅにおいては、スラブ型光導波路４の表面４ａおよびリッジ型三次元光導波路２０を被覆するオーバーコート層２１が形成されている。

本発明においては、光変調素子が、スラブ型光導波路を構成する平板と、この平板内に設けられた三次元光導波路とからなっていてよい。あるいは、光変調素子が、スラブ型光導波路を構成する平板と、この平板から突出するリッジ型の三次元光導波路とからなっていてよい。

例えば、図１１の素子１Ｆにおいては、平板４がスラブ型光導波路を構成しており、平板内に三次元光導波路５が形成されている。こうした平板型の素子は、スラブモード伝搬を可能とする程度に薄いものである必要があるので、単独では取り扱いに難がある。このため、素子１Ｆを、他の支持部材や支持板に対して固定し、補強することが好ましい。

本発明によれば、三次元光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調器において、動作点の制御を効率的かつ安定的に行える。

光変調素子１から信号光６が出射されている状態を概略的に示す斜視図である。 光変調素子１からオフモードの参照光１０が出射されている状態を概略的に示す斜視図である。 光変調素子１、光検知器１３、制御装置１５、電源制御装置１６を備えた光変調器を示すブロック図である。 他の光変調器を示すブロック図である。 光変調素子１を端面側から見た正面図である。 光変調素子１Ａを端面側から見た正面図である。 光変調素子１Ｂを端面側から見た正面図である。 光変調素子１Ｃを端面側から見た正面図である。 光変調素子１Ｄを端面側から見た正面図である。 光変調素子１Ｅを端面側から見た正面図である。 光変調素子１Ｆを端面側から見た正面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ 光変調素子
２ 支持基板 ２ａ 支持基板２の表面 ３ 接着剤層 ４ 平板（スラブ型光導波路） ４ａ 平板の表面 ４ｃ 平板の端面 ４ｄ 平板の底面 ５ 三次元光導波路 ５ｂ、５ｃ 一対の分岐光導波路 ５ｆ 分岐光導波路の合波点 ６、１１ 信号光 ７Ａ、７Ｂ、７Ｃ 変調用電極 １０ 合波点から放射される光 １３ 合波点からの放射光に対する光検知器 １５ 制御装置 Ａ 光検知器１３からの信号 Ｂ 制御装置１５からの制御信号

Claims (3)

1. 三次元光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調器であって、
   少なくとも一対の分岐光導波路と、分岐光導波路の合波点とを含んでいる三次元光導波路、
   前記合波点から放射されるオフモードの光を導波するスラブ型光導波路、
   前記三次元光導波路を伝搬する光を変調する信号電圧を印加するための変調用電極、
   前記スラブ型光導波路から放射される光を受光する光検知器、および
   前記光検知器からの出力に基づいて、前記変調用電極に加わる直流バイアスを変化させることによって、前記光変調器の動作点を制御する制御装置を備えていることを特徴とする、光変調器。
2. 三次元光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調方法であって、
   少なくとも一対の分岐光導波路と、分岐光導波路の合波点とを含んでいる三次元光導波路、および前記三次元光導波路を伝搬する光を変調する信号電圧を印加するための変調用電極を備えている光変調器を使用し、
   前記合波点から放射されるオフモードの光をスラブモードで伝搬させ、このオフモードの光を受光し、受光した光に基づいて前記変調用電極に対する直流バイアスを変化させることによって、前記光変調器の動作点を制御することを特徴とする、光変調方法。
3. 三次元光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調器であって、
   強誘電性単結晶からなる支持基板、
   強誘電性単結晶からなり、前記合波点から放射されるオフモードの光を導波し，厚さが３μｍ以上、２０μｍ以下であるスラブ型光導波路、
   少なくとも一対の分岐光導波路と、分岐光導波路の合波点とを含んでおり、前記スラブ光導波路を構成する前記強誘電性単結晶への加工によって形成されており、この加工がプロトン交換または金属拡散を含む三次元光導波路、
   前記三次元光導波路を伝搬する光を変調する信号電圧を印加するための変調用電極、
   前記支持基板と前記スラブ型光導波路とを接着し、前記スラブ型光導波路の屈折率よりも低い屈折率を有しており、前記スラブ型光導波路の下部クラッドである接着剤層、
   前記スラブ型光導波路から放射される光を受光する光検知器、および
   前記光検知器からの出力に基づいて、前記変調用電極に加わる直流バイアスを変化させることによって、前記光変調器の動作点を制御する制御装置を備えており、前記光検知器またはこの光検知器へと光を伝送する光伝送部材が前記スラブ型光導波路の光出射端面に取り付けられていることを特徴とする、光変調器。

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