JP2009300888A - 光導波路デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】光の波長の違いがあっても、出力光の変化が小さい光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】光導波路デバイスにおいて、直交する光の偏光に対して異なる屈折率を有する基板10と、基板上に構成され、出力する偏光の光の波長に対して波長特性を有する偏光子6と、基板上で偏光子と接続され光を干渉させる光干渉路4,5を構成し、偏光子の出力する偏光の光の波長に対して波長特性を打ち消す方向の波長特性を有する干渉計と、干渉計を構成する該光導波路の位相を制御するための電極7,8とを備える。
【選択図】図2
【解決手段】光導波路デバイスにおいて、直交する光の偏光に対して異なる屈折率を有する基板10と、基板上に構成され、出力する偏光の光の波長に対して波長特性を有する偏光子6と、基板上で偏光子と接続され光を干渉させる光干渉路4,5を構成し、偏光子の出力する偏光の光の波長に対して波長特性を打ち消す方向の波長特性を有する干渉計と、干渉計を構成する該光導波路の位相を制御するための電極7,8とを備える。
【選択図】図2
Description
本発明の関わる技術は光導波路デバイスに関するものである。例えば、光外部変調器や光スイッチ等の光をオン−オフする機能や光を減衰させる機能を有する光導波路デバイスに関係している。
光導波路デバイスは誘電体基板上に形成された屈折率の高い光導波路の部分に光を閉じこめ、光を伝播することができる。光外部変調器、光スイッチ及び光減衰器等は、この光導波路で光干渉計を構成する。この光干渉計を構成する光導波路間(光干渉路)に対して電気光学効果、熱光学効果、音波光学効果で位相変化を与える。光干渉計は光干渉計を構成する光導波間の位相差の変化に対して周期的な出力特性の変化を有している。光干渉計に電気光学効果を与えた場合の光出力が最大の電圧と光出力が最小の電圧の差はVπと呼ばれている。光外部変調器や光スイッチの光をオン−オフする場合、光干渉計の位相差は消光比を高くとるため、通常Vπとなるように電圧を制御している。
光導波路デバイス用の誘電体基板としてはニオブ酸リチュウム(LiNbO3)が知られている。このニオブ酸リチュウムは電気工学効果が高く、光干渉計を構成する光導波路に対して電界を与えることで、光干渉計に位相変化を与えることができる。
一方、このニオブ酸リチュウムは直交する光の偏光に対して異なる屈折率を有している異方性材料である。異方性材料のニオブ酸リチュウム基板(LN基板)で光干渉計を有する光導波路デバイスを構成した場合、その特性は偏光依存性を有する。この場合、一方の偏光のみを入力するようにすればよいが、現実的には難しく、図1のような特性を有する。図1において、実線は光干渉計を有する光導波路デバイス全体の出力を示している。図1において、点線はLN基板をZカットした光導波路デバイスのTMモードの出力を示している。図1において、一点鎖線はLN基板をZカットした光導波路デバイスのTEモードの出力を示している。一点鎖線に示したTMモードの光りのために、Vπの電圧でも光が出力される。従って、現実的な光導路デバイスのON/OFF消光比は無限大にならない。さらに、入力する光の偏波消光比(TMモードとTEモードの光量比)が小さければ、光導路デバイスのON/OFF消光比自体も劣化させてしまい、実用上必要な特性を得られることができなくなる。
そこで、光導波路デバイスは、特許文献1のように、光干渉計の後に偏光子を設けている。特許文献1の構成は偏光子のない場合と比べると消光比を大きできる。
特開2004―325536号公報 一方、光導波路に偏光子を設けた場合、偏光子の持つ波長依存性により、変調やスイッチを行う光の波長の違いで、同じパワーの光でも波長に依存して出力が変化する問題がある。
本発明の目的は、光の波長の違いがあっても、出力光の変化が小さい光導波路デバイスを提供することである。
光導波路デバイスにおいて、直交する光の偏光に対して異なる屈折率を有する基板と、基板上に構成され、出力する偏光の光の波長に対して波長特性を有する偏光子と、基板上で偏光子と接続され光を干渉させる光干渉路を構成し、偏光子の出力する偏光の光の波長に対して波長特性を打ち消す方向の波長特性を有する干渉計と、干渉計を構成する該光導波路の位相を制御するための電極とを備える。
光導波路デバイスは、光の波長の違が有っても、出力光をほぼ等しくすることができる。
以下に図面を用いて、本発明の実施例の構成を説明する。
光導波路デバイスは、誘電体媒質中に形成された屈折率の高い部分に光を閉じ込めて伝搬させる光導波路を使用して様々な機能を実現したデバイスである。例えば、ニオブ酸リチウム(LiNbO3:以下LNと表記する)等の誘電体を使用してマッハツェンダ干渉計を構成した光導波路デバイスは、電気光学定数が非常に高く、電気光学効果(Electro−optical effect) をもつデバイスと比較して応答速度が速いため、光変調器や光スイッチ、可変光アッテネータなどとして広く用いられている。
図2に本発明の一つの構成例を示す。図2において、1は光導波路デバイス、2は第1の光分岐カプラ、3は第2の光分岐カプラ、4は第1の接続光導波路、5は第2の接続光導波路、6は偏光子、7はアース電極、8は信号電極、21は第1の光入力導波路、22は第2の光入力導波路、31は第2の光分岐カプラの第2出力導波路(モニタ用導波路)、34は第2の光分岐カプラの第2出力導波路、61は光導波路デバイスの出力導波路、62は不要光出力導波路、10は基板をそれぞれ示す。
図2は光導波路デバイス1全体を示している。光導波路デバイス1はZカットされたLN基板である。第1の光入力導波路21に入力された光りは光分岐カプラ2に入力される。第1の光分岐カプラ2は第1の光入力導波路21からの光りを第1の接続光導波路4と第2の接続光導波路5に所定の分岐比で出力する。第2の光分岐カプラ3は第1の接続光導波路4と第2の接続光導波路5からの光りをそれぞれ所定の分岐比で第2の光分岐カプラ3の第1の出力導波路34と第2の出力導波路31にそれぞれ出力する。第2の出力導波路31は光導波路デバイスのモニタ用導波路である。第1の光分岐カプラ2、第2の光分岐カプラ3、第1の接続光導波路4と第2の接続光導波路5で光干渉計を構成する。第1の接続光導波路4と第2の接続光導波路5は光干渉計の光干渉路である。図2の光干渉計はマッハツェンダ型干渉計を示している。
第2の光分岐カプラ3の第1の出力導波路34の出力は偏光子6に入力される。偏光子6はTMモードの偏光が光導波路デバイスの出力導波路61に出力されるように構成されたマルチモード干渉(MMI)型ビームスプリッタである。偏光子6では出力導波路61に結合しない光は不要光出力導波路62から出力される。図2では偏光子6はマルチモード干渉(MMI)型ビームスプリッタを用いて説明しているが、偏光子6は後で説明するマルチモード干渉(MMI)型ビームスプリッタ、方向性結合型ビームスプリッタ、曲導波路、導波路側面に高屈折領域を有する導波路もしくは導波路上に金属を設けた物を用いることができる。図2では偏光子6は干渉計の後に構成しているが、偏光子6は入力光に対して、干渉計の前段に設けても良い。
第1の接続光導波路4の上には信号電極8が設けられている。アース電極7は信号電極8を挟むように基板10上に設けてある。信号電極8には光導波路デバイスの使用用途に合わせて所定の電圧が印加される。例えば、光変調器や光スイッチの場合は、Vπの電圧が印加される。光減衰器の場合は減衰量に応じた電圧が印加される。図2のように,Z−cutのLN基板を用いて作製した光導波路デバイス(例えば、LN変調器)に、Z軸と平行な直線偏光を入射した場合(TMモード)、そのマッハツェンダ型の光変調器の光出力Poutは理想的には次式で変化する。
Pout = cos2(Δφ/2) 式(1)
式(1)から理想的なマッハツェンダ干渉計の場合,最大光出力と最小光出力の比,いわゆるON/OFF消光比は無限大になることが分かる。
Pout = cos2(Δφ/2) 式(1)
式(1)から理想的なマッハツェンダ干渉計の場合,最大光出力と最小光出力の比,いわゆるON/OFF消光比は無限大になることが分かる。
しかし、LN材料はその屈折率が結晶方位によって異なる。LN材料はいわゆる異方性材料である。一般的に,異方性材料を用いた光導波路デバイスの特性は偏光依存性を有する。現実的には,Z−cutのLN変調器にTMモードのみを入力させることは困難であるため、その変調特性も偏光依存性を有し、その光出力の変化は次式で表される。
Pout=cos2 (ΔφTM/2+φ0TM)+cos2(ΔφTE/2+φ0TE) 式(2)
添え字TE、TMはそれぞれTEモード成分、TMモード成分に関する量であることを示している。φ0はマッハツェンダ干渉計の初期位相、Δφはマッハツェンダ干渉計の相互作用部で与えられる位相変化量である。
Pout=cos2 (ΔφTM/2+φ0TM)+cos2(ΔφTE/2+φ0TE) 式(2)
添え字TE、TMはそれぞれTEモード成分、TMモード成分に関する量であることを示している。φ0はマッハツェンダ干渉計の初期位相、Δφはマッハツェンダ干渉計の相互作用部で与えられる位相変化量である。
位相変化量は式(3)と式(4)で与えられる。
ΔφTM={π・ne3・γ33・l/(λ・d)}・V 式(3)
ΔφTE={π・no3・γ13・l/(λ・d)}・V 式(4)
ne,noはそれぞれTM、TEモードに対する光導波路の屈折率、γ33、γ13はそれぞれ電気光学定数テンソルの33、13成分、lは2本の平行な光導波路上に設けられた電極の長さ、λは光の波長、dは電極間の距離、Vは印加電圧を表す。
ΔφTM={π・ne3・γ33・l/(λ・d)}・V 式(3)
ΔφTE={π・no3・γ13・l/(λ・d)}・V 式(4)
ne,noはそれぞれTM、TEモードに対する光導波路の屈折率、γ33、γ13はそれぞれ電気光学定数テンソルの33、13成分、lは2本の平行な光導波路上に設けられた電極の長さ、λは光の波長、dは電極間の距離、Vは印加電圧を表す。
LN材料の場合、γ33>γ13であるためZ−cutのLN変調器ではVπTM>VπTEとなり、おおよそ3〜4倍の差がある。
よって,式(2)に示す通り、TM、TEそれぞれのモードに対する光出力はTMモードとTEモードの光出力を足し合わせた図1の実線のような曲線となる。
従って、図2では基板10上に光干渉計と共に、光導波路で構成した偏光子6を設けている。偏光子6のうちマルチモード干渉(MMI)型ビームスプリッタと方向性結合型ビームスプリッタは図3のような波長依存の特性を有している。
曲導波路、導波路側面に高屈折領域を有する導波路もしくは導波路上に金属を設けた偏光子6は図4のような波長依存の特性を有している。
偏光子6が有する挿入損失の波長依存性を打ち消すために、干渉計(例えば、マッハツェンダ干渉計)に挿入損失の波長依存性を持たせる。
偏光子6の波長使用範囲がλ1〜λ2とする。偏光子6の挿入損失の波長依存性が図4の特性である場合、その波長依存性のグラフのスロープとは逆のスロープとなる波長依存性となるように、干渉計の波長特性を図5の様にする。図4と図5の特性を組み合わせることで、波長使用範囲がλ1〜λ2の中で波長依存性が小さい図6の特性を有する光導波路デバイスを構成することができる。
具体的には、干渉計を構成する第1の光分岐カプラと第2の光分岐カプラの分岐比をパワーが1/2づつ分岐する3dB分岐から外すことで干渉計の挿入損失に波長依存性を持たせる。
ここで、光導波路デバイスの干渉計としてマッハツェンダ干渉計(MZI)を用いた場合に、MZIの挿入損失に波長依存性をもたせる方法について述べる。
MZIは第1の分岐カプラ2と第2の分岐カプラ3とその間をつなぐ2本の接続光導波路4及び5と、その2本の接続光導波路4及び5を伝搬する光に位相差をつける機構からなる。入力側の光分岐カプラ2で光を2つの導波路それぞれに分離し、この2つの光導波路を伝搬する光に位相差をつけて、その光を後段のカプラで干渉させることで出力光の光量を変化させる。変調器やON/OFFの光スイッチ、可変アッテネータなどに応用されている。2本の接続光導波路4及び5に屈折率差をつける方法は、電気光学効果、熱光学効果、音響光学効果などが用いられる。LN変調器においては電気光学効果を用いるのが効果的である。
光導波路はその実効屈折率に波長依存性があるので、カプラの分岐比は波長依存性を有する。
前段の光分岐カプラ2の分岐比をX1:1-X1 (0≦X1≦1)、 後段の光分岐カプラ3の分岐比をX2:1-X2(0≦X2≦1)とする。
このMZIに光量Pinの光を入射すると、図2の第2の光分岐カプラの第2出力導波路34からの光出力Poutは次式で表される。
Pout=Pin*[{X1*(1-X2)}+{X2*(1-X1)}+2*√{X1*(1-X1)*X2*(1-X2)}*cos(Δφmzi) ] 式(5)
ここで、ΔφmziはMZIの2本の導波路を伝搬する光の位相差を表す。式(5)において、X1=X2とすると、第2の光分岐カプラの第2出力導波路34からの光出力Poutは図7のような分岐比が0.5のとき出力が最大となる特性を持つ。
Pout=Pin*[{X1*(1-X2)}+{X2*(1-X1)}+2*√{X1*(1-X1)*X2*(1-X2)}*cos(Δφmzi) ] 式(5)
ここで、ΔφmziはMZIの2本の導波路を伝搬する光の位相差を表す。式(5)において、X1=X2とすると、第2の光分岐カプラの第2出力導波路34からの光出力Poutは図7のような分岐比が0.5のとき出力が最大となる特性を持つ。
また、10*log(Poutの最大値/Poutの最小値)で定義されるON/OFF消光比は分岐比に対しては図8のような分岐比が0.5の周辺で無限大の特性をもつ。
ここで,分岐比は図9のような波長依存性があるため、光分岐カプラを3dbカプラに構成とすると、MZIの出力特性は図10に示すような波長依存性をもつ。また、式(5)からX1=X2であるなら、ON/OFF消光比は無限大になり、現実的にX1≒X2であれば実用上十分なON/OFF消光比が得られる。従って、高い消光比を維持し、偏光子の光出力特性の波長依存性を打ち消すためには、MZIのカプラの分岐比を0.5:0.5(3dBカプラ)から少しずらし、図10の特性を図5に示すような特性を有する分岐比を持たせ、図4の特性を持つ偏光子に対抗させ図6の特性を有するようにすればよい。
図2では光分岐カプラはMMIカプラで示している。MMIカプラはマルチモード導波路の幅Wmziと長さLmziを調整することで分岐比を変えることができる。光分岐カプラはMMIカプラに変えて方向性結合器やY分岐導波路を用いることが出来る。方向性結合器は方向性結合長と方向性結合する光導波路間のギャップの幅を調整することにより、光分岐カプラの分岐比を変えることができる。Y分岐導波路は分岐導波路の幅を変えることで分岐比を変えることができる。また、MMIカプラ、方向性結合器、Y分岐導波路の周囲に電極を設け、電極に電界をかけて、光導波路の屈折率を変えることでも光分岐カプラの分岐比は変えることができる。
図11は各部のシミュレーションした結果でAの特性はMMIカプラで構成したMZIの過剰損失を示し、Bの特性はMMIで構成した偏光子の過剰損失示し、Cの特性は光導波路デバイス(MZI+偏光子)の過剰損失示している。Aの特性を得るため、MMIカプラのマルチモード導波路の幅Wmziは16μmとし、長さLmziは310μmとした。また、Bの特性を有するMMIで構成した偏光子はマルチモード導波路の幅Wpが16μm、長さLpが1700μmである。
図12は図11の特性を有する光導波路デバイスの偏波消光比を示している。図11及び図12は、光通信で利用される光の波長帯域である1520nm〜1620nmの波長帯域でシミュレーションしている。この波長帯域は光通信に用いられるエルビウムドープファイバ型光増幅器のコンベンショナルバンドとロングウエーブレングスバンドに対応している。図11では、光導波路デバイスの光出力の波長依存性が改善されている。また、図12では、光導波路デバイスの偏波消光比が改善している。
図13は偏光子6として用いるMMI型ビームスプリッタの構成を示す。MMIのマルチモード導波路71の構造パラメータ幅Wmmiと長さLmmiを調節することで、TEモードとTMモードが混在した入力光をそれぞれの出力ポートにTEモードとTMモードに分けて出力することができる。必要な偏光成分の光が出力するポートから光を取り出すことで、MMI型ビームスプリッタは偏光子として機能させることができる。
図14は偏光子6として用いる方向性結合型器ビームスプリッタの構成を示す。導波路73と73の間隔Gdcと結合長Ldcを調節することで、TEモードとTMモードを異なる出力ポートに出すことができる。必要な偏光成分の光が出力するポートから光を取り出すことで、方向性結合型器ビームスプリッタ偏光子として機能させることができる。
図15は偏光子6として用いる曲がり光導波路74の構成を示す。曲がり光導波路は光導波路のTMモードとTEモードの光閉じ込めの強さの差を利用して、曲がった光導波路で偏光子6を形成する。例えば,Z−cutのLN基板に形成した光導波路はTMモードの方がTEモードより光の閉じ込めが強い。曲げ半径R0を選択することで、曲がり光導波路はTEモードはほとんど出力されず,TMモードのみを取り出すことが可能になり、偏光子として機能させることができる。
図16は偏光子6として用いる導波路側面に高屈折領域75を有する導波路76の構成を示す。図16の偏光子6は導波路76の横に導波路76の周囲に設けたクラッドより屈折率の高い高屈折領域75を設ける。高屈折領域75の屈折率nは導波路76の屈折率nと同じ屈折率でよい。高屈折領域75は導波路76の製造プロセスと同時に形成出来る。TEモードとTMモードでは光の閉じ込めの強さがことなるため、本構成の偏光子は閉じ込めの弱いTEモードは横の高屈折率領域の影響を受け、光が導波路から漏れやすくなる。高屈折率領域75と導波路76の間隔Gs1、Gs2および、高屈折領域75の長さLsを調節することで、導波路76は不要モードを導波路76の横に放射させる偏光子として作用させることができる。また,LN材料の場合では,X−cut基板やY−cut基板など、TE偏光を用いる変調器がよく使用される。このような場合でも、同様の偏光子を作製することができる。図13〜図15においても図16と同様にTEモードとTMモードを入れ替えて考えればよい.
図17は偏光子6として用いる導波路上に金属を設けた導波路の構成を示す。TEモードの光を用いる場合は、図17に示すように、導波路77上部に金属78を設けることで不要となるTM成分を除去することができる。これは、TEモードとTMモードで電界の向きが異なり、TMモードの方が上面の金属78の影響を受け、導波路77の上面の金属78に光が吸収されやすくなることを利用している。
図17は偏光子6として用いる導波路上に金属を設けた導波路の構成を示す。TEモードの光を用いる場合は、図17に示すように、導波路77上部に金属78を設けることで不要となるTM成分を除去することができる。これは、TEモードとTMモードで電界の向きが異なり、TMモードの方が上面の金属78の影響を受け、導波路77の上面の金属78に光が吸収されやすくなることを利用している。
図13乃至図17の偏光子はいずれも、光導波路を利用している。図13及び図14のカプラ型の偏光子は、導波路の実行屈折率が波長によって異なる。従って、図3に示すように、設計波長λ0をから波長がずれると、カプラとしての分岐比が変わるため、偏光子の出力には波長依存性が見られる。また,光導波路は光の閉じ込め強さにも波長依存性がある。一般的に波長が長くなるほど光導波路の閉じ込めが弱くなり、短いほど閉じ込めが強い。そのため図15の曲導波路の曲げ半径による挿入損失には波長依存性が見られる。さらに,図16の導波路横に高屈折率状領域を配置した偏光子は波長が長くなるほど光導波路の閉じ込めが弱くなり、高屈折率状領域の影響を受けやすくなる。従って、図16の偏光子は波長が短いほどその影響を受けにくいため、偏光子の挿入損失の波長依存性が大きくなる。
図18は光分岐カプラ2及び3をMMIカプラで構成した例を示している。ZカットのLN基板の場合、MMIカプラのマルチモード干渉導波路80の幅Wmziと長さLmziは、TMモードの光が3dB分岐からずれた位置で、干渉計が図13乃至図17の偏光子6の波長依存特性を打ち消す波長依存特性を有する長さにする。
図19は光分岐カプラ2及び3を方向性結合カプラで構成した例を示している。ZカットのLN基板の場合、方向性結合カプラの第1の導波路81と第2の導波路82との間隔Gdcと、第1の導波路81と第2の導波路82間の干渉長Ldcは、TMモードの光が3dB分岐からずれた位置で、干渉計が図13乃至図17の偏光子6の波長依存特性を打ち消す波長依存特性を有する長さにする。
図20は光分岐カプラ2及び3をY分岐カプラで構成した例を示している。Y分岐している導波路84の幅aは導波路83の幅bより大きく構成することで分岐する光りの量を制御している。
図18乃至図19の光分岐カプラを干渉計を構成するための光分岐カプラとして用いることにより、干渉計の有する挿入損失の波長依存特性が偏光子の有する挿入損失の波長依存特性を打ち消す特性を得ることができる。
1 光導波路デバイス
2 第1の光分岐カプラ
3 第2の光分岐カプラ
4 第1の接続光導波路
5 第2の接続光導波路
6 偏光子
7 アース電極
8 信号電極
21 第1の光入力導波路
22 第2の光入力導波路
31 第2の光分岐カプラの第2出力導波路(モニタ用導波路)
34 第2の光分岐カプラの第2出力導波路
61 光導波路デバイスの出力導波路
62 不要光出力導波路
10 基板
2 第1の光分岐カプラ
3 第2の光分岐カプラ
4 第1の接続光導波路
5 第2の接続光導波路
6 偏光子
7 アース電極
8 信号電極
21 第1の光入力導波路
22 第2の光入力導波路
31 第2の光分岐カプラの第2出力導波路(モニタ用導波路)
34 第2の光分岐カプラの第2出力導波路
61 光導波路デバイスの出力導波路
62 不要光出力導波路
10 基板
Claims (5)
- 直交する光の偏光に対して異なる屈折率を有する基板と、
該基板上に構成され、出力する偏光の光の波長に対して波長特性を有する偏光子と、
該基板上で該偏光子と接続され光を干渉させる光干渉路を備え、該偏光子の波長特性に対して当該波長特性を打ち消す方向の波長特性を有する干渉計と、
該干渉計を構成する該光干渉路の位相を制御するための電極と
を備えた光導波路デバイス。 - 該光干渉路は2つの光分岐カプラ間を結合する第1と第2の接続光導波路を備えていることを特徴とする請求項1記載の光導波路デバイス。
- 該光分岐カプラは分岐比が3dBずれていることを特徴とする請求項2記載の光導波路デバイス。
- 該光分岐カプラはマルチモード干渉(MMI)カプラもしくは方向性結合型カプラであることを特徴とする請求項2記載の光導波路デバイス。
- 該偏光子はマルチモード干渉(MMI)型ビームスプリッタ、方向性結合型ビームスプリッタ、曲導波路、横に高屈折領域を有する導波路もしくは導波路上に金属を設けた物のいずれか1つであることを特徴とする請求項1記載の光導波路デバイス。
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Cited By (4)
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2008
- 2008-06-16 JP JP2008157128A patent/JP2009300888A/ja not_active Withdrawn
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