JP2012098472A

JP2012098472A - 光変調器

Info

Publication number: JP2012098472A
Application number: JP2010245559A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tsuzuki; 健都築; Shinji Mino; 真司美野; Akemasa Kaneko; 明正金子
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2012-05-24

Abstract

【課題】小型で低光損失な光導波路の折り返し回路を提供し、素子の小型化・低損失化を実現すると共に、機械的信頼性を高めた光変調器を提供する。
【解決手段】ニオブ酸リチウム材料からなるＬＮ変調器と、ガラス材料からなり、前記ＬＮ変調器への光信号の入出力のために前記ＬＮ変調器と突き合わせ接続された第１及び第２のＰＬＣとを含む光変調器であって、前記第１のＰＬＣの光導波回路は、一方の端面にファイバブロックを介して接続された少なくとも２本のファイバと、他方の端面に突き合わせ接続された前記ＬＮ変調器の光導波路とを接続し、前記第２のＰＬＣの光導波回路は、一方の端面に突き合わせ接続された前記ＬＮ変調器の光導波路どうしを接続する折り返し光導波路であり、該折り返し光導波路は、前記第２のＰＬＣ上に実装された半導体光導波回路に形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光変調器に関し、より詳細には、ＰＬＣと他の導波路型光素子とが付き合わせ接続されて構成された光素子チップをパッケージに収納した光変調器に関する。

ニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ₃）基板上にチタン（Ｔｉ）拡散を用いて光導波路を形成したＬＮ変調器は、光通信システムの重要なデバイスであり、例えば、４０Ｇｂｉｔ／ｓ用のＤＱＰＳＫ変調器、１００Ｇｂｉｔ／ｓ用偏波多重ＱＰＳＫ変調器等に適用されている。しかしながら、ＬＮ変調器は、光の伝搬損失、光導波路の許容曲げ半径が石英系光波回路と比べて大きく、可変カプラ、折返し回路、偏波合成回路等の複雑な光回路の構成に不向きであるという欠点を有する。ＬＮ変調器の欠点を補うために、ＬＮ変調器とＰＬＣを組み合わせた光変調器（以下「ＰＬＣ−ＬＮ変調器」という。）を構成する従来例も報告されている。ここで、「ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）」とは、Ｓｉ基板上にＳｉＯ₂系ガラスを主成分とする光導波路を形成した光回路を言う。

図１、従来のＬＮ変調器とＰＬＣを組み合わせた光変調器の構成を示す。光変調器１００は、位相シフタの部分にのみＬＮ変調器１２０を用い、光導波路の引き回しのために、ＬＮ変調器１２０の両端に接続された第１のＰＬＣ１１０及び第２のＰＬＣ１３０を用いている（例えば、特許文献１及び２参照）。第１のＰＬＣ１１０及び第２のＰＬＣ１３０に、それぞれ光ファイバ１０２，１０３を接続し、筐体１０１に収納している。このような構成により、ＬＮ変調器の優れた特性はそのままで、ＰＬＣの優れたパッシブ回路の特徴を生かすことができる。例えば、回路全体を小型にしたり、全体の損失を低減したりすることができ、上述のＬＮ変調器の欠点を補うことができる。

図２に、従来の光変調器の他の構成を示す。光変調器２００は、位相シフタの部分にＬＮ変調器２２０を用い、光導波路の引き回しのために、ＬＮ変調器２２０の両端に接続された第１のＰＬＣ２１０及び第２のＰＬＣ２３０を用いている（例えば、特許文献３参照）。ＰＬＣ２３０において光導波路をＵ字型に折り返し、光信号がＬＮ変調器２２０を２回通る構成になっている。通常、２つの光変調器を使用して実現する機能を、１つの光変調器内に集積することにより、素子の小型化を図ることができる。また、光ファイバ２０２，２０３を筐体２０１の一辺に設置することができ、システムに収納する際の利便性を向上している。

この構成によれば、高周波電気配線を適切に施すことにより、ＤＱＰＳＫ変調器とＲＺ変調器の２つの光変調器を、１つの素子上に集積したＲＺ−ＤＱＰＳＫ変調器を実現することができる。同様にして、ＲＺ集積−偏波多重ＱＰＳＫ変調器なども実現されている。図２の構成で作製された４０Ｇｂｉｔ／ｓＲＺ−ＤＱＰＳＫ変調器の光挿入損失は、６ｄＢ程度であり、ＤＱＰＳＫ変調器とＲＺ変調器を別々のＬＮ変調器で構成した場合の光挿入損失１１ｄＢに比べて大幅な改善が実現できている。

特開２００３−１９５２３９号公報特開２００３−１２１８０６号公報特開２００９−２０４７５３号公報

しかしながら、図２の構造においても光導波路の最小曲げ半径は、曲げ損失を増大させないために２ｍｍ程度必要である。従って、Ｕ字型の折り返し回路を形成するためには、ＰＬＣ２３０は、長さ１０ｍｍ、幅６ｍｍ程度の大きさが必要とされている。一方、ＬＮ変調器２２０は、ＬＮ基板からの収率を高めるために、幅３〜４ｍｍ程度に抑えることが好ましい。従って、ＬＮ変調器２２０の幅に較べて、ＰＬＣ２３０の幅が大きく、光変調器全体の小型化を図れないという問題があった。

また、熱膨張率の違いから、筐体２０１の底面にＬＮ変調器２２０は固定されているが、ＰＬＣ２１０、２３０はＬＮ変調器のみに固定され、筐体２０１の底面からは浮いた状態になっている。このため小さな接着面積で大きなＰＬＣを支える不安定な構造になっており、振動・衝撃に対する耐性が低く、信頼性が低いという問題があった。

さらに、ＰＬＣ−ＬＮ変調器は、低い光挿入損失を実現できるものの、より一層の低損失化を求められていた。

本発明の目的は、小型で低光損失な光導波路の折り返し回路を提供し、素子の小型化・低損失化を実現すると共に、機械的信頼性を高めた光変調器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、ニオブ酸リチウム材料からなるＬＮ変調器と、ガラス材料からなり、前記ＬＮ変調器への光信号の入出力のために前記ＬＮ変調器と突き合わせ接続された第１及び第２のＰＬＣとを含む光変調器であって、前記第１のＰＬＣの光導波回路は、一方の端面にファイバブロックを介して接続された少なくとも２本のファイバと、他方の端面に突き合わせ接続された前記ＬＮ変調器の光導波路とを接続し、前記第２のＰＬＣの光導波回路は、一方の端面に突き合わせ接続された前記ＬＮ変調器の光導波路どうしを接続する折り返し光導波路であり、該折り返し光導波路は、前記第２のＰＬＣ上に実装された半導体光導波回路に形成されていることを特徴とする。

第１の態様において、前記半導体光導波回路に形成された前記折り返し光導波路の一部に、半導体光増幅器（ＳＯＡ）が形成することができる。また、前記半導体光導波回路に形成された前記折り返し光導波路を、反射型の多モード干渉（ＭＭＩ）結合器により構成することもできる。さらに、ＭＭＩ結合器をＳＯＡとして機能するようにしてもよい。

上述したように、本発明によれば、第２のＰＬＣ上に、半導体光導波回路を実装し、折り返し光導波路を形成したことにより、小型で低光損失な光導波路の折り返し回路を実現でき、光変調器の小型化を図ることができる。

また、折り返し光導波路の一部に、ＳＯＡを形成することにより、光変調器の低損失化を実現することができる。

従来のＬＮ変調器とＰＬＣを組み合わせた光変調器の構成を示す上面図である。従来の光変調器の他の構成を示す上面図である。本発明の第１の実施形態にかかる光変調器の構成を示す上面図である。本発明の第１の実施形態にかかる光変調器の構成を示す側面図である。本発明の第２の実施形態にかかる光変調器の構成を示す上面図である。ＭＭＩ結合器の動作原理を説明するための図である。本発明の第３の実施形態にかかる光変調器の構成を示す上面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態にかかる光変調器の構成を示す上面図であり、図４は、側面図である。光変調器３００は、位相シフタの部分にニオブ酸リチウム材料からなるＬＮ変調器３２０を用い、ＬＮ変調器３２０への光信号の入出力には、ガラス材料からなる第１のＰＬＣ３１０及び第２のＰＬＣ３３０を用いる。ＬＮ変調器３２０は、筐体３０１の凸部３０１Ａに固定されており、第１のＰＬＣ３１０及び第２のＰＬＣ３３０は、ＬＮ変調器３２０の両端に突き合わせ接続されている。従って、ＬＮ変調器３２０は筐体３０１に固定されているが、第１のＰＬＣ３１０及び第２のＰＬＣ３３０は、筐体３０１の底面から浮いた状態になっている。

第１のＰＬＣ３１０は、Ｓｉ基板３１１上にＳｉＯ₂系ガラスを主成分とする光導波回路３１２が形成されている。一方の端面は、ファイバブロック３０４を介して、第１の光ファイバ３０２及び第２のファイバ３０３と接続され、他方の端面は、ＬＮ変調器３２０に接続されている。光導波回路は、これら光ファイバの心線とＬＮ変調器に形成された光導波路とを接続している。

第２のＰＬＣ３３０は、Ｓｉ基板３３１上にＳｉＯ₂系ガラスを主成分とする光導波回路３３２が形成されている。一方の端面において、光導波回路３３２のコアとＬＮ変調器３２０のコアとが突き合わされて接続され、ＬＮ変調器３２０の光導波路どうしを接続している。さらに、Ｓｉ基板３３１上の一部を、光導波路のコア層よりも下層まで除去し、他の光素子３３３を搭載できるようにしている。

このように、Ｓｉ基板３３１上に石英系光導波路と、他の光素子とを搭載した素子チップを、ＰＬＣプラットフォームという。ＰＬＣプラットフォームは、材料の異なる光素子を光学的に結合させることができ、放熱性の良いＳｉ基板上に素子を搭載できること、高周波電気配線をＳｉ基板上に形成することができること、などの理由から半導体レーザ（ＬＤ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）、フォトダイオード（ＰＤ）などの能動素子をＰＬＣと集積化することに適する。

第１の実施形態の光素子３３３は、半導体光導波回路であり、折り返し光導波路と、折り返し光導波路の一部にＳＯＡ３３４が形成されている。半導体光導波路は、屈折率が３．２程度とＳｉＯ₂系ガラスの１．４程度に比べて大きく、光を強く閉じ込めることができる。このため、光導波路の曲げ半径を２００μｍ程度まで小さくすることができ、小型の折り返し光導波路を形成することができる。

また、ＳＯＡ３３４を備えることによって、光の伝播損失、ＰＬＣ導波路と半導体光導波路との光結合を容易にするためのスポットサイズ変換器による光損失及び結合損失などを補償することができる。ＳＯＡは、光導波路のコアに相当する部分を活性層とし、電流を注入することにより、利得を得ることができる光増幅器である。例えば、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ活性層を備えたＳＯＡが知られている。

例えば、光導波路が半導体埋め込み構造により、スポットサイズ変換付きＳＯＡを構成し、駆動電流を５０ｍＡ流した時に、利得＋１０ｄＢを得ることができる。さらに、光変調器３００全体にわたる光損失を補償して、ロスレスの光変調器とすることもできる。例えば、ＰＬＣとして比屈折率差Δが１．５％の超高Δ導波路を用いると、結合損失は約５ｄＢとなり、２箇所の接続点での光損失は１０ｄＢ増えるが、ＳＯＡで２０ｄＢの利得を得ると、光変調器全体でロスレスとなる。ＬＮ変調器を用いる際には、通常１ｃｈ毎に光損失補償用のチャネルアンプの光増幅器が用いられており、同一の筐体３０１内にＳＯＡを搭載して、ロスレスの光変調器を構成できることは、システムを構成する上で大きなメリットである。

ＰＬＣプラットフォームに搭載する光デバイスがＬＤ、ＰＤの場合には、ＰＬＣとの光の結合部が１箇所のみなので、光結合を容易に取ることができる。しかし、ＳＯＡなどの透過型の素子は、光の結合部が２箇所あるので、素子の両端面でＰＬＣとの距離を制御する必要があるため、半導体素子の劈開精度により結合損失が増大するという問題があった。しかし、本実施形態によれば、折り返し光導波路を有することによって、光の結合部が２箇所あるものの、光導波回路３３２と光素子３３３とを一端面のみで接続できるため、光結合も容易に取ることができる。従って、光導波回路３３２と光素子３３３との距離を最短にして結合損失を低減でき、また調心箇所が１箇所で済むため実装コストを安くできるという利点がある。

なお本実施形態では、ＰＬＣとＬＮ変調器とを３ピースで結合した、ＰＬＣ−ＬＮ変調器の例を示したが、本効果はこの例に限定されるものではなく、Ｙ分岐がＬＮ変調器側にあってもよいし、第１のＰＬＣ３１０の光導波回路をＬＮ変調器側に形成してもよい。

このようなＰＬＣプラットフォームを用いた光ハイブリッド集積においては、ＳＯＡのような半導体素子の信頼性の劣化が懸念されるが、ＬＮ変調器は、筐体３０１を用いて、全体を気密封止することができるので、信頼性も確保されている。

（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態にかかる光変調器の構成を示す。光変調器４００は、位相シフタの部分にＬＮ変調器４２０を用い、ＬＮ変調器４２０の両端に第１のＰＬＣ４１０及び第２のＰＬＣ４３０が突き合わせ接続されている。第１の実施形態と比較すると、ＰＬＣプラットフォーム上の光素子４３３の構成が異なる。すなわち、第１の実施形態の折り返し光導波路に代えて、反射型の多モード干渉（ＭＭＩ）結合器４３５が構成されている。ＳＯＡとＭＭＩ結合器部分とは、異なる光導波路上に形成されており、それぞれの構成要素を独立して最適化することが可能である。

ここでＭＭＩ結合器とは、光導波路に結合され、導波路幅を拡大した領域における干渉を利用して光の合分岐や光路の変更を行なう受動素子である。図６を参照して、ＭＭＩ結合器の動作原理を説明する。ＭＭＩ結合器１０の入力ポート１１から光信号が入力されると、導波路幅を拡大した領域（以下、ＭＭＩ領域という）において、光の伝搬方向に沿って、屈折率分布の違いにより高次モードが励振され、各モードの伝播定数の違いから干渉が生じる。さらに、光の伝搬方向に沿って、再び結像するSelf-Imaging Effectを利用し、光の合分岐や出力方向の選択をすることができる。

図６（ａ）に示したＭＭＩ結合器１０は、２×２ＭＭＩ結合器である。導波路のコア層の厚さ０．３μｍ、ＭＭＩ結合器１０のＭＭＩ領域の幅１２μｍ、入力光信号の波長１．５５μｍ、導波路の屈折率３．２４、導波路側面に屈折率１．０の空気があるハイメサ導波路としたとき、ＭＭＩ領域の長さに対するクロス出力ポート１２およびバー出力ポート１３の出力光強度の計算結果を、図６（ｃ）に示す。

光の伝播方向に沿ったＭＭＩ領域の長さＬの変化に伴い、クロス出力ポート１２およびバー出力ポート１３の出力光強度は、それぞれ変化する。Ｌ＝１９８．５μｍにおいて、クロス出力ポート１２およびバー出力ポート１３の出力光強度が等しくなり、２分岐のＭＭＩ結合器となることがわかる。また、Ｌ＝３９７μｍでは、クロス出力ポート１２のみに出力され、入力ポート１１から入力された光信号の出力方向が選択されていることがわかる。

図６（ａ）に示した２×２ＭＭＩ結合器において、クロス出力ポート１２にのみ結合する場合のＭＭＩ領域の長さの半分、すなわちＬ＝３９７／２μｍの位置に反射鏡を形成した構造を図６（ｂ）に示す。入力ポート２１から入力された光信号は、ＭＭＩ領域で干渉し、反射鏡２３で反射して、再び結像して出力ポート２２から出力される。このようなＭＭＩ結合器２０を用いることで、小型の折り返し導波路を作製することができる。

反射鏡２３は、導波路端面をエッチングまたは劈開により形成し、金属反射膜またはＨＲコーティングを施すことにより作製することができる。また、光導波路は、ハイメサ構造だけではなく、リッジ構造、半導体埋め込み構造でも作製することできる。

（第３の実施形態）
図７に、本発明の第３の実施形態にかかる光変調器の構成を示す。光変調器５００は、位相シフタの部分にＬＮ変調器５２０を用い、ＬＮ変調器５２０の両端に第１のＰＬＣ５１０及び第２のＰＬＣ５３０が突き合わせ接続されている。第１，２の実施形態と比較すると、ＰＬＣプラットフォーム上の光素子５３３の構成が異なる。すなわち、反射型のＭＭＩ結合器が半導体光増幅器（ＳＯＡ）５３４により構成されている。

ＭＭＩ領域をＳＯＡとして機能させることにより、光導波路をＳＯＡとして機能させる場合と比べて大きな利得を得ることができる。また、ＳＯＡへの電流注入により導波路屈折率を変化させることができるため、ＭＭＩ結合器の折り返し導波路としての特性を調整することもできる。

１００，２００，３００，４００，５００光変調器
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１筐体
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２第１の光ファイバ
１０３，２０３，３０３，４０３，５０３第２のファイバ
１１０，２１０，３１０，４１０，５１０第１のＰＬＣ
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０ＬＮ変調器
１３０，２３０，３３０，４３０，５３０第２のＰＬＣ
３０４ファイバブロック
３３１Ｓｉ基板
３３２光導波回路
３３３，４３３，５３３光素子
３３４，４３４，５３４ＳＯＡ
４３５ＭＭＩ

Claims

ニオブ酸リチウム材料からなるＬＮ変調器と、ガラス材料からなり、前記ＬＮ変調器への光信号の入出力のために前記ＬＮ変調器と突き合わせ接続された第１及び第２のＰＬＣとを含む光変調器であって、
前記第１のＰＬＣの光導波回路は、一方の端面にファイバブロックを介して接続された少なくとも２本のファイバと、他方の端面に突き合わせ接続された前記ＬＮ変調器の光導波路とを接続し、
前記第２のＰＬＣの光導波回路は、一方の端面に突き合わせ接続された前記ＬＮ変調器の光導波路どうしを接続する折り返し光導波路であり、
該折り返し光導波路は、前記第２のＰＬＣ上に実装された半導体光導波回路に形成されていることを特徴とする光変調器。
前記半導体光導波回路に形成された前記折り返し光導波路の一部に、半導体光増幅器（ＳＯＡ）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記半導体光導波回路に形成された前記折り返し光導波路は、反射型の多モード干渉（ＭＭＩ）結合器により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記反射型の多モード干渉（ＭＭＩ）結合器は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）として機能するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光変調器。