JP2013174850A - モニタフォトディテクタ付き光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】基板側面から出射されるモニタ光を効率よくモニタフォトディテクタに入射させることを可能とした光変調器を提供する。
【解決手段】基板と、光導波路と、中心導体及び接地導体とを具備し、光導波路は、入力光導波路と、入力光導波路に入射した光を分岐する分岐光導波路と、相互作用光導波路と、相互作用光導波路を伝搬した光を合波する合波光導波路と、合波光導波路から出力される信号光が入力される出力光導波路と、合波光導波路から出力されるモニタ光が入力されるモニタ光出力用光導波路とを含む光変調器と、基板の側面から出射されるモニタ光を受光するモニタフォトディテクタとを具備しており、モニタ光用出力光導波路は、出力光導波路が向かう基板側面とは異なる別の基板側面に向かって形成され、前記別の基板側面におけるモニタ光が通過する領域に光学接着剤が塗布されてなり、当該別の基板側面から出射されるモニタ光の屈折角度が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は光変調器に係り、特に、モニタフォトディテクタの実装を容易にするとともに、小型で動作状態が安定な光変調器に関する。

周知のように、光変調器においてリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。

このようなＬＮ光変調器は、最近ではさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、大容量光伝送システムにおけるキーデバイスとして期待されている。

（第１の従来技術）
図６は、例えば、特許文献１に開示されている第１の従来技術による光変調器としてのＬＮ光変調器の構成を示す斜視図である。図中、１はｚ−カットＬＮ基板、２はＴｉを熱拡散して形成したマッハツェンダ光導波路であり、２ａは入力光導波路、２ｂはＹ分岐型の分岐光導波路、２ｃ−１と２ｃ−２は相互作用光導波路、２ｄはＹ分岐型の合波光導波路、２ｅは出力光導波路、２ｇは出力光導波路の端部である。

また、図中、３は電気信号源、４は進行波電極の中心導体、５ａと５ｂは接地導体、６ａと６ｂは後述のように光信号がＯＦＦ状態の場合に発生する放射光、７は信号光用単一モード光ファイバ、８は放射光受光用光ファイバ、１１は、例えば、フォトダイオードからなるモニタフォトディテクタ、９はモニタフォトディテクタ１１からの後述する放射光検出信号に基づいてバイアス電源ＤＣの動作点およびＬＮ光変調器の動作点を調整するバイアスコントローラを含む放射光検出手段である。なお、説明を簡単にするために、ｚ−カットＬＮ光変調器に通常用いられるＳｉＯ_２バッファ層などやＳｉ導電層などの図示は省略した。

図７は、図６に示すように構成されるＬＮ光変調器の動作原理を説明するために示す図である。図７の（ａ）、（ｂ）は光導波路２の動作説明図であり、図７の（ｃ）はＬＮ光変調器の側面図を示している。

図６と図７を用いて、ＬＮ光変調器の動作について説明する。入力光導波路２ａに入射した光は分岐光導波路２ｂにおいて２分割される。電気信号源３からの電気信号が進行波電極の中心導体４と、接地導体５ａ、５ｂに印加されない場合には、図７の（ａ）に示すように、光は相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２を同相で伝搬する。その後、光は合波光導波路２ｄにより合波されて基本モードとして出力光導波路２ｅを伝搬し、最後に、光は信号光用単一モード光ファイバ７に出射される。これをＯＮ状態と呼ぶ。なお、合波光導波路２ｄが出力光導波路２ｆと接合している箇所を合波点２ｈと呼ぶ。

一方、電気信号源３からの電気信号が進行波電極の中心導体４と、接地導体５ａ、５ｂに印加された場合には、図７の（ｂ）に示すように、光は相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２を異なった位相（逆位相）で伝搬する。その後、光は合波光導波路２ｄにより合波されて１次の高次モード光が形成される。通常、この１次の高次モード光がカットオフとなるように、出力光導波路２ｅが設計されている。

従って、この１次の高次モード光は出力光導波路２ｅを伝搬できないために、放射光６ａ、６ｂとして基板の水平方向に０．７度、図７の（ｃ）に示すように、深さ方向に０．９度という小さな角度をもって合波点２ｈから基板内に放射され、基板内を広がりながら伝搬する。これをＯＦＦ状態と呼ぶ。

図８に示す電圧−光出力特性において、図示実線の曲線はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖｂはその際のＤＣバイアス電圧である。

この図８に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。

一方、温度変動など何らかの原因により図８の破線のように電圧−光出力特性が変化した場合には、バイアス点をＶｂ´のように設定変更する必要がある。

この第１の従来技術では、この放射光を放射光受光用光ファイバ８で受光・伝搬した後、例えば、フォトダイオードからなるモニタフォトディテクタ１１に入射させることにより電流に変換している。バイアスコントローラを含む放射光検出手段９は、この電流の大きさにより電圧−光出力特性の変化を検知し、バイアスＤＣ電源によるＤＣバイアス電圧の最適バイアス点を見出している。

しかしながら、以上のように構成したＬＮ光変調器においても以下のような問題点がある。放射光は、実際には図７の（ｂ）、（ｃ）に示すように、基板の水平方向に０．７度、深さ方向に０．９度の小さな角度をもって合波点２ｈから基板内の下方に出射されるので、放射光受光用光ファイバ８は信号光用単一モード光ファイバ７に非常に近く、また信号光用単一モード光ファイバ７よりもほんの僅かだけ低い位置に配置する必要がある。

ここで、図９は、信号光用単一モード光ファイバ７側から見た光信号のＯＦＦ状態の様子を示している。図７の（ｂ）において、例えば、出力光導波路２ｅの光軸方向の長さを４ｍｍとすると、前述のように放射光の水平方向の伝搬角度はわずか０．７度であるから、信号光用単一モード光ファイバ７と放射光６ａあるいは放射光６ｂとの間隔は約５０μｍと極めて狭い。また、放射光６ａあるいは放射光６ｂのパワーの中心はｚ−カットＬＮ基板１の上側の表面から深さＨの位置に来るが、放射光の垂直方向の伝搬角度は０．９度であるから、Ｈの値は６３μｍ程度である。このように、信号光と放射光６ａあるいは放射光６ｂの中心との距離は小さいので、信号光用単一モード光ファイバ７と放射光受光用光ファイバ８とを実装することは非常に難しい。

この実装の難しさについて図１０を用いて説明する（例えば、特許文献１の図４参照）。図中、７ａは信号光用単一モード光ファイバのコア、８ａは放射光受光用光ファイバのコア、１０ａはキャピラリー（誘電体からなるキャピラリーで、一般的にはガラス材が知られているが、セラミックなどその他の材料でも良い）を示している。

そして、キャピラリー１０ａに信号光用単一モード光ファイバ７用とは別に穴を開けて、放射光受光用光ファイバ８をその穴に固定している。こうして、信号光用単一モード光ファイバ７のコア７ａには信号光が結合するように、放射光受光用光ファイバ８のコア８ａには放射光６ｂ（あるいは、６ａ）が結合するように、それぞれの位置関係を調整して固定する。

以上説明したように、第１の従来技術によるモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器では、信号光と放射光の間の距離が５０μｍ程度と極めて小さいため、信号光用単一モード光ファイバ７のコア７ａには信号光を結合させ、かつ放射光受光用光ファイバ８のコア８ａには放射光を結合させるという実装が必要となり、その実装は極めて困難であるため、実装が容易な構造のＬＮ光変調器の開発が望まれている。

通常、この実装の困難さを回避するためには、信号光と放射光との間の距離を広げることが考えられる。

ところで、信号光と放射光との間の距離を広げる考えとは別に、放射光を信号光に干渉させることで、干渉パターンを信号光から遠方に形成する発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、放射光と信号光が干渉するということは、つまり信号光が減衰することを意味しており、その結果、信号光の損失増加につながるか、あるいはあくまで干渉であるので信号光が影響できる範囲にのみ、つまり信号光に比較的近い領域にしか干渉パターンを形成することができないという問題点があり、上記課題の解決には至っていないというのが実情である。

以上のように、キャピラリー１０ａに信号光用単一モード光ファイバ７と放射光受光用光ファイバ８の両方を実装することは極めて困難なことである。そこで、放射光受光用光ファイバ８を用いる代わりに、キャピラリー１０ａを通過した後の放射光をモニタフォトダイオード等のモニタフォトディテクタ１１で受光する場合を考えてみる。

この場合、ｚ−カットＬＮ基板１とキャピラリー１０ａの屈折率を各々２．１４と１．４５とすると、放射光はキャピラリー１０ａの中を±０．７°×２．１４／１．４５＝±１．０°の屈折角度で伝搬するので、放射光はキャピラリー１０ａの中に固定した信号光用単一モード光ファイバ７の極めて近くを伝搬するため、モニタフォトディテクタ１１を実装することは事実上困難である。

（第２の従来技術）
図１１は、これらの問題を解決する構造として、第２の従来技術によるモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器を示している。この第２の従来技術によるＬＮ光変調器では、ｚ−カットＬＮ基板１を伝搬して来た放射光６ａ、６ｂをさらに後端が傾斜されているキャピラリー１０ｂの中を放射光６ｃ、６ｄとして伝搬させる。

ここで、キャピラリー１０ｂの後端傾斜面に、予め、誘電体多層膜１４を堆積しておくことにより、光を全反射させて外部に出し、それをモニタフォトディテクタ１１を用いて受光し、電流に変換する。

ところが、この第２の従来技術によるＬＮ光変調器には重大な問題点がある。以下、この問題点について考察する。まず、放射光６ａ、６ｂが基板端面１ａを通過した後、モニタフォトディテクタ等のモニタフォトディテクタ１１に達するまでの光路長について考える。

放射光６ｃの場合には、基板端面１ａを通過後にキャピラリー１０ｂの中をＬ_１の距離を伝搬した後、キャピラリー１０ａの後端傾斜面の誘電体多層膜１４において反射され、さらにキャピラリー１０ａの中を上方にＬ_２の距離を伝搬する。その後、空気中をＬ_３の距離を伝搬し、モニタフォトディテクタに達する。キャピラリー１０ａの屈折率をｎ_ｃとすると、放射光６ｃの光学的な全光路長Ｌ_６ｃはＬ_６ｃ＝ｎ_ｃＬ_１＋ｎ_ｃＬ_２＋Ｌ_３となる。

一方、放射光６ｄの場合には、基板端面１ａを通過後にキャピラリー１０ｂの中をＬ_４の距離を伝搬した後、キャピラリー１０ａの後端傾斜面の誘電体多層膜１４において反射され、さらにキャピラリー１０ａの中を上方にＬ_５の距離を伝搬する。その後、空気中をＬ_６の距離を伝搬し、フォトダイオード等のモニタフォトディテクタ１１に達する。放射光６ｄの光学的な全光路長Ｌ_６ｄはＬ_６ｄ＝ｎ_ｃＬ_４＋ｎ_ｃＬ_５＋Ｌ_６となる。

一方、放射光６ａ、６ｂはキャピラリー１０ａの中を互いに異なった角度±１．０°で伝搬し、キャピラリー１０ａの後端傾斜面の誘電体多層膜１４において上方に反射された後、モニタフォトディテクタ１１へ入射するときに、放射光６ｃ、６ｄは図１２に示すように、互いに重なり合い、干渉する。図１２において、６ｉは放射光６ｃと６ｄとの重なり部（干渉部）である。

ここで、放射光６ｃ、６ｄの位相が約１８０度異なっている様子を図１３に示す。放射光６ｃと６ｄの位相が互いに１８０度異なっている場合には、図１４の（ａ）に示すようにそれらの重なり部にはそのパワーが零となる箇所がある。

ところが、キャピラリー１０ａの屈折率ｎ_ｃは温度により変化するので、放射光６ｃ、６ｄがモニタフォトディテクタ１１に入射する際の両光路長Ｌ_６ｃとＬ_６ｄは温度により変化することになる。その結果、放射光６ｃ、６ｄの位相差は１８０度とは異なってくる。そのため、放射光６ｃ、６ｄを重ねた結果、図１４の（ｂ）に示すように、放射光６ｃと６ｄの重なり部６ｉはどの箇所においても零とはならないことになる。

換言すると、図１２から図１４に示した放射光６ｃと６ｄの重なり部６ｉの光の強度（換言すると、モニタフォトディテクタ１１の受光感度）が温度とともに変化してしまい、ＬＮ光変調器のＤＣバイアスコントロールに支障が生じることになる。

また、図１０に示した第１の従来技術におけるキャピラリー１０ａの場合と同様に、この第２の従来技術においてもキャピラリー１０ｂには信号光用単一モード光ファイバ７を実装する必要がある。また、いずれのキャピラリー１０ａ、１０ｂでも信号光用単一モード光ファイバ７の実装を容易にするために、キャピラリー１０ａと１０ｂの後端に信号光用単一モード光ファイバ７の外形よりも大きなガイド用のザグリを入れておくことが望ましい。

しかるに、いずれのキャピラリー１０ａ、１０ｂでもその中の信号光用単一モード光ファイバ７の近傍を放射光が伝搬するために、キャピラリー１０ａと１０ｂの後端にそのようなガイド用のこのザグリを設けることはできない。

（第３の従来技術）
図１５は、これらの問題を解決する構造として、第３の従来技術によるモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器を示している。この第３の従来技術によるＬＮ光変調器では、放射光６ｃのみをモニタフォトディテクタ１１により受光するために、キャピラリー１０ｃを図１５に示すように加工し、放射光６ｄがモニタフォトディテクタ１１には入射しないように工夫している。なお、キャピラリー１０ｃを半分切り欠くことにより信号光用単一モード光ファイバ７の実装のガイドをすることが可能となる。

しかしながら、この第３の従来技術によるＬＮ光変調器の構造では、キャピラリー１０ｃを複雑な構造に加工する必要があるとともに、図１１に示した第２の従来技術によるＬＮ光変調器のキャピラリー１０ｂと同じく、キャピラリー１０ｃの後端傾斜面に光を全反射させるための誘電体多層膜１５などを堆積する必要があり、光変調器全体としての製作のコストがますます高くなってしまうという問題がある。

（第４の従来技術）
図１６に特許文献４に開示された第４の従来技術のモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器についてその斜視図を示す。ここで、５０はｚ−カットＬＮ基板、５１は基板表面５０Ａに形成された光導波路、５１Ａは入力光導波路、５１Ｂは多モード干渉光導波路（ＭＭＩ）からなる入力用３−ｄＢカプラ（分岐光導波路）、５１Ｃ、５１Ｄは相互作用光導波路、５１Ｅは多モード干渉光導波路（ＭＭＩ）からなる出力用３−ｄＢカプラ（合波光導波路）、５１Ｆは信号光出力用光導波路、５１Ｇはモニタ光出力用光導波路、５３は反射溝、５２は進行波電極、５２Ａは中心導体、５２Ｂは接地導体、５２Ｃはパッド、５４はモニタフォトディテクタ、５５はブロック材である。５６はモニタ光出力用光導波路５１Ｇを出射後、反射溝５３により反射された後、モニタフォトディテクタ５４へ向かうモニタ光である。

この第４の従来技術における出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅ付近や反射溝５３を含む拡大図を図１７に示す。但し、紙面の関係上、長手方向を大幅に縮小している。

ここで、この第４の従来技術の動作を説明する。基板５０の光入力側面に与えられた光が、入力導波路５１Ａを伝搬して入力側カプラ５１Ｂで２分岐され、各平行導波路５１Ｃ，５１Ｄをそれぞれ伝搬する。このとき、電極パターン５２Ａ，５２Ｂに印加される電気信号に応じて、各平行導波路５１Ｃ，５１Ｄを伝搬する光に位相差が与えられ、出力側カプラ５１Ｅで各々の光が合波された後に信号光およびモニタ光にそれぞれ分岐される。信号光は、信号光出力用光導波路５１Ｆを伝搬して基板５０の側面から出射される。一方、出力側カプラ５１Ｅで分岐されたモニタ光は、モニタ光出力用光導波路５１Ｇを伝搬し、反射溝５３により基板側面５０´に向かって反射され、モニタフォトディテクタ１１に向かうモニタ光５６として伝搬している。

ところが、この第４の従来技術をＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫのような複数のマッハツェンダ光導波路を有するネスト型の光変調器に適用する際に大きな問題が生じる。

つまり、モニタ光５６は反射溝５３により反射された後に放射光として広がりながらモニタフォトディテクタ１１へ向かう。そして、モニタフォトディテクタ１１に達した時、モニタ光５６はかなり広がっている。従って、図１６のようにマッハツェンダ光導波路の数が１つの場合にはまだしもＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫのような複数のマッハツェンダ光導波路を有するネスト構造の場合には、各々のマッハツェンダ光導波路に対応する複数の反射溝を起点とする複数のモニタ光が互いに重なり合いつつ広がるため、モニタ光同士のクロストークが生じてしまい、結果的に各マッハツェンダ光導波路に対する最適なバイアス電圧を決定することができないという問題があった。

（第５の従来技術）
図１８には同じく、特許文献４に開示された第５の従来技術によるモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器を示す。この第５の従来技術では図１６に示した第４の従来技術における入力用３−ｄＢカプラ５１Ｂと出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅの代わりにＹ分岐型の分波器と合波器を使用している。なお、入力側については入力用Ｙ分岐、あるいは入力用Ｙ分岐光導波路、また出力側については出力用Ｙ分岐、あるいは出力用Ｙ分岐光導波路とも言う。ここで、５１Ｈは入力光導波路であり、５１Ｂ´は入力用Ｙ分岐の分岐点、５１Ｉは出力光導波路である。５６´は出力用Ｙ分岐の合波点５１Ｅ´から放射された放射光であり、反射溝５３により反射されてモニタ光５６´´としてモニタフォトディテクタ５４に向かって伝搬している。このようにＭＭＩからなる３−ｄＢカプラの代わりにＹ分岐型の光導波路を使用することにより、図１６と図１７において説明した第４の従来技術が持つ問題点は解消できたが、この第５の従来技術には実用上極めて大きな問題点がある。

図から明らかにわかるように、反射溝５３は出力用Ｙ分岐の合波点５１Ｅ´から距離的に離れ、光が出力される側の端面（光出力側端面）５８の近傍に形成されている。さらに、挿入損失の観点から出力光導波路５１Ｉに影響を及ぼさない距離に形成する必要がある反射溝５３が、出力光導波路５１Ｉとモニタフォトディテクタ５４の間に設けられている。放射光５６´は水平方向にわずか約０．７度しか広がっていないことを考えると、このことも反射溝５３が出力用Ｙ分岐の合波点５１Ｅ´から距離的に離れて光出力側端面５８の近傍に形成されていることを示唆している。

そして図１９には出力用Ｙ分岐の合波点５１Ｅ´からの距離に対する放射光５６´のパワーの中心が存在する深さ（図９のＨ）を示している。第１の従来技術において説明したように、放射光が不図示の信号光用単一モード光ファイバ（図６の７を参照）に入射して信号光のＯＮ／ＯＦＦ比が劣化するのを防ぐためには、出力光導波路５１Ｉの長さとして最低２〜３ｍｍ、望ましくは４ｍｍ程度必要である。出力光導波路５１Ｉがこの程度の長さを有すると、反射溝５３は光出力側端面５８の近傍に形成されているので、ｚ−カットＬＮ基板５０の深さ方向に０．９度の傾きで伝搬することを考えると、図１９からわかるように放射光５６´のパワーの中心は出力光導波路５１Ｉの長さが２〜３ｍｍの場合でも３０〜４０μｍもの深さにあり、出力光導波路５１Ｉの長さが４ｍｍの場合には、６３μｍもの深さにある。

このことから、この第５の従来技術の問題点を直ちに理解することができる。つまり、モニタ光５６´´を効率よくモニタフォトディテクタ１１に入射させるためには、数十ミクロンの深さの反射溝５３を形成する必要がある。そして通常のドライエッチング装置のエッチング速度は装置に依存はするものの、通常１０ｎｍ／分から０．１μｍ／分程度であり、数十ミクロンもの深い反射溝を形成することは極めて困難である。また、反射溝をドライエッチングではなくダイサーで形成しようとしてもダイサーの歯の直径は数センチメートルもあるので、出力光導波路を傷つけることなく反射溝を形成することは不可能である。

しかも、この第５の従来技術では反射溝５３の反射面は曲率として凸の曲面形状であることを規定しており、このことがモニタフォトディテクタ５４によりモニタ光５６´´の受光をさらに困難にする。つまり、基板を数ミリも伝搬した放射光５６´は大変広がっており、その上曲率が凸の曲面の反射面で反射させると放射光５６´はモニタフォトディテクタ５４の受光面よりも広くなり、モニタフォトディテクタ５４の受光感度が極めて劣化してしまう。

（第６の従来技術）
図２０には、特許文献５の図１２に開示された第６の従来技術を示す。この従来技術では、モニタ光出力用光導波路５１Ｇ´をＬＮ基板５０の側面５０´（出力光導波路が向かう基板側面とは異なる基板側面）に向かって曲げて形成しており、それから出射される不図示のモニタ光をモニタフォトディテクタ１１で検出する。

図２０におけるＩ領域の部分拡大図を図２１に示す。ＬＮ基板５０の側面までモニタ光出力用光導波路５１Ｇ´を形成するが、チップをウェーハからダイサーで切り出す際に５９のような凹凸部（チッピング部）がチップの側面全体において発生する（なお、図２０と図２１、および後述する図１〜図４ではモニタ光が通過する部位のみ凹凸状に図示している）。そのため、モニタ光出力用光導波路５１Ｇ´を伝搬して来たモニタ光７０はチッピング部５９により屈折されてしまうので、モニタフォトディテクタ１１の受光感度が著しく低下してしまうという問題があった。

特開平３−１４５６２３号公報 特開平１０−２２８００６号公報 特開２００１−２８１５０７号公報 特開２００５−３４５５５４号公報 特許第４４６８３９７号公報

以上のように、ＬＮ光変調器のＤＣバイアスを制御するために各種の光変調器が提案された。しかしながら、第１の従来技術では信号光用単一モード光ファイバが距離的に極めて近いために放射光受光用光ファイバの実装が困難であった。また第２の従来技術ではＬＮ光変調器を使用する際の環境温度が変化すると、モニタフォトディテクタに入射する放射光の強度が変化するためにＤＣバイアスコントロールに問題が生じた。そして、第３の従来技術では信号光用単一モード光ファイバを実装し、かつモニタフォトディテクタに放射光を送るためのキャピラリーの形状が複雑であり、ＬＮ光変調器のコストアップの一因となっていた。第４の従来技術ではＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫのような複数のマッハツェンダ光導波路を有するネスト構造の光変調器の場合には複数のモニタ光同士のクロストークが生じてしまい、結果的に各マッハツェンダ光導波路に対する最適なバイアス電圧を決定することができないという問題があった。第５の従来技術では放射光を反射させることによりモニタ光としてモニタフォトディテクタに伝搬させる反射溝がＬＮ光変調器における光の出力側端面付近に形成されていた。そのため、反射溝を何十ミクロンと深くエッチングする必要があり、ドライエッチング装置を使用してその形成することは難航を極めていた。また、例えダイサーを使用しても、信号光を出力する出力光導波路を傷つけることなく反射溝を形成することは不可能であった。さらに、第６の従来技術ではＬＮ変調器をウェーハからチップとして切り出す際にチップの側面に発生するチッピング部によりモニタフォトディテクタへのモニタ光の入射効率、つまりモニタフォトディテクタの受光感度が著しく劣化していた。

そこで、本発明は、以上のような従来技術による問題点を解消して、モニタフォトディテクタの実装を容易にするともに、モニタフォトディテクタのモニタ光の受光感度が高く、かつネスト構造にも適用可能な小型で動作状態が安定な光変調器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、電気光学効果を有する基板と、光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する中心導体及び接地導体とを具備し、前記光導波路は、少なくとも前記光を入射するための入力光導波路と、前記入力光導波路に入射した光を分岐する分岐光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路を伝搬した前記光を合波する合波光導波路と、前記合波光導波路から出力される信号光が入力される出力光導波路と、前記合波光導波路から出力される、前記信号光と位相が異なるモニタ光が入力されるモニタ光出力用光導波路とを含む光変調器と、前記基板の側面から出射される前記モニタ光を受光するモニタフォトディテクタとを具備しており、前記モニタ光用出力光導波路は、前記出力光導波路が向かう基板側面とは異なる別の基板側面に向かって形成され、前記別の基板側面における前記モニタ光が通過する領域に光学接着剤が塗布されてなり、当該別の基板側面から出射される前記モニタ光の屈折角度が抑制されることを特徴としている。

本発明の請求項２に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、請求項１に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器において、前記光導波路がマッハツェンダ型光導波路であることを特徴としている。

本発明の請求項３に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、請求項１に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器において、前記光導波路は、当該光導波路における光の導波方向と交わる方向に並列に構成された２個以上のマッハツェンダ型光導波路からなることを特徴としている。

本発明の請求項４に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器において、前記光学接着剤が、紫外線硬化型接着剤または熱硬化型接着剤であって、硬化時の屈折率が前記基板の屈折率よりも小さいことを特徴としている。

本発明の請求項５に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器において、前記モニタフォトディテクタを、前記基板に対して空間を介して具備していることを特徴としている。

本発明の請求項６に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器において、前記光学接着剤の表面の少なくとも一部が凸形状であることを特徴としている。

本発明では、ＬＮ変調器チップをウェーハからダイサーで切り出す際に生じるチッピング部を光学接着剤により埋めることにより、モニタ光を効率よくモニタフォトディテクタに入射させる、つまりモニタフォトディテクタの受光感度を改善することを可能とする。さらに、光がランダムに屈折されないため、ネスト型の光変調器においてはモニタ光のクロストークを小さくすることができるという利点がある。

本発明による光変調器の第１の実施形態の構成を示す上面図 図１のＩＩ領域における部分拡大図 （ａ）、（ｂ）本発明の製造方法と製造過程を説明する図 （ｃ）本発明の製造方法と製造過程を説明する図 本発明による光変調器の第２の実施形態の原理を示す上面図 第１の従来技術による光変調器の構成を示す斜視図 図６に示すように構成される光変調器の動作原理を説明するために示す図 図６に示すように構成される光変調器の動作原理を説明するために示すＤＣバイアス電圧−光出力特性曲線図 信号光用単一モード光ファイバ７側から見た光信号のＯＦＦ状態の様子を示す図 信号光用単一モード光ファイバ７と放射光受光用光ファイバ８とを実装することが非常に難しいことを説明するために示す図 第１の従来技術による光変調器の問題を解決する構造として、第２の従来技術による光変調器の要部の構成を示す上面図 放射光６ａ、６ｂがモニタフォトダイオード等のモニタフォトディテクタ１１へ入射するときに、互いに、干渉することを説明するために示す図 放射光６ｃ、６ｄの位相が約１８０度異なっている様子を説明するために示す図 放射光６ｃと６ｄの位相が互いに１８０度異なっている場合に、それらの重なり部にはそのパワーが零となる箇所があること、温度変化の結果、放射光６ｃ、６ｄの位相差は１８０度とは異なってくるため、放射光６ｃと６ｄの重なり部はどの箇所においても零とはならないことを説明するために示す図 第２の従来技術による光変調器の問題を解決する構造として、第３の従来技術によるＬＮ光変調器の要部の構成を示す上面図 第４の従来技術による光変調器の要部の構成を示す斜視図 第４の従来技術による光変調器の部分的な拡大図 第５の従来技術による光変調器の要部の構成を示す斜視図 第５の従来技術による光変調器の合波点から反射溝までの距離に対する放射光のパワー中心との関係を表す図 第６の従来技術による光変調器の要部の構成を示す上面図 第６の従来技術における問題点を説明する図

以下、本発明によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の実施形態について説明するが、図６から図２１に示した第１から第６の従来技術と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同じ番号を持つ機能部の説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に、本発明によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の実施形態を示す。この図１は、図２０と同部位を示すものである。また、図１のＩＩ領域について、その部分拡大図を図２に示す。６０はＬＮ基板５０の側面５０´（出力光導波路が向かう基板側面とは異なる別の基板側面）の、モニタ光７１が通過する領域に塗布された光学接着剤である。
この光学接着剤６０の塗布により、モニタ光７１が通過する領域におけるチッピング部５９が平滑化されることになり、モニタ光７１がモニタフォトディテクタ１１に入らない程度までにランダムな角度で屈折されるのを防ぐことができる。光学接着剤は、種類としては例えば紫外線硬化型接着剤、熱硬化性接着剤が挙げられ、また硬化時の屈折率がＬＮ基板５０よりも小さいものを用いるのが好適である。

ここで、本発明の製造工程を図３および図４を用いて説明する。

（ａ）従来から行われている通常の工程により、ウェーハからチップをダイサーなどにより切り出す。なおこの時、図２１の第６の従来技術と同じくＬＮ基板５０の側面にチッピング部５９が発生している。

（ｂ）組立工具である細い棒６１の先端に光学接着剤６２を付け、チッピング部５９に塗布する。

（ｃ）すると、図４のようなチッピング部５９が覆われた状態になる。つまり光学接着剤６０はチッピング部５９が深い箇所には多く、また浅い箇所には少なく溜まる。

（ｄ）この後、紫外線を照射する、あるいは加熱することにより光学接着剤６０を硬化させる。

ＬＮ基板５０の屈折率は約２である。一般に光学接着剤の屈折率は２よりやや小さい程度である。そのため、本発明を適用することにより、図２１に示した第６の従来技術のモニタ光７０と比較して、モニタ光７１はモニタ光導波路５１から出射される際のランダムな屈折がほとんどないほどに改善されている。

そのため、本発明を適用することにより、モニタフォトディテクタへのモニタ光の結合効率が大幅に向上するので、その受光感度を改善できる。よって、光変調器としての歩留まりを極めて向上することが可能となる。

本発明ではモニタ光出力用光導波路５１Ｇ´を、ＬＮ基板５０の側面５０´まで形成しているので、ＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫのようなマッハツェンダ光導波路を光の導波方向と交わる方向に並列に複数有するネスト構造の光変調器にも適用可能である。つまり、複数のマッハツェンダ光導波路と複数のモニタフォトディテクタを有するネスト構造においても、各マッハツェンダ光導波路における各モニタ光出力用光導波路５１Ｇ´を互いに影響を与えない基板側面５０´の別々の位置に配置することができ、モニタ光のクロストークを極めて小さくできるという利点がある。

表１に本発明の効果を示す。表１の中において、「本発明適用前」とは、例えば図２１に示したように、ＬＮ基板５０の側面５０´のモニタ光が通過する領域における凹凸部に、光学接着剤が塗布されていない状態である。また、「本発明適用後」とは、例えば図２に示したように、ＬＮ基板５０の側面５０´のモニタ光が通過する領域における凹凸部が、光学接着剤６０の塗布により埋め込まれた状態である。表１は、４個のサンプルについて、本発明適用前と本発明適用後の受光感度を示している。表１からわかるように、本発明を適用することにより、従来技術と比較してモニタフォトディテクタ１１の受光感度について大幅な改善を得ることができる。

なお、以上の説明においてはモニタ光出力用光導波路５１Ｇ´がＬＮ基板側面５０´にまで延びた（接した）構成としていたが、これに限定されることはない。例えば、モニタ光出力用光導波路５１Ｇ´が途中で途切れていて、一部基板内を導波してＬＮ基板側面５０´からモニタ光が出射されるようになっている場合であっても、ＬＮ基板側面５０´に光学接着剤６０を塗布することによって本願発明の作用効果（モニタ光の屈折の抑制）を奏する場合にあっては、本願の権利範囲に属することになる。そして、このことは本願の全ての実施形態について当てはまる。

（第２の実施形態）
本発明に係るモニタフォトディテクタ付き光変調器の第２の実施形態を図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成及び動作については適宜説明を省略する。

図５に本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態では、ＬＮ基板５０の側面５０´のモニタ光７１´が通過する領域に塗布される光学接着剤として、粘性の高い光学接着剤６０´を用いる。これにより、光学接着剤６０´の表面形状の少なくとも一部を凸形状とし、光学接着剤６０´にレンズ効果を持たせている。そして、光学接着剤６０´がレンズ効果を持つことにより、モニタ光７１´の集光効率が大きくなるので、モニタフォトディテクタ１１の受光感度をより改善することが可能となる。

（各実施形態）
以上の説明においては、ＬＮ基板としてｚ−カットＬＮ基板である場合について説明したが、ｘ−カット基板あるいはｙ−カットＬＮ基板など各種基板を用いても良い。

またマッハツェンダ光導波路からモニタ光導波路への接続はＭＭＩカプラで説明したが、方向性結合器、さらにはＹ分岐でも良いことはいうまでもない。

さらに、以上の説明においては、電極として非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）やコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）型の進行波電極を想定したが、その他の構造の進行波電極でも良いし、もちろん集中定数型電極でも良い。

また、以上の説明においては、基板としてＬＮ基板を想定したが、リチウムタンタレートなどその他の誘電体基板、さらには半導体基板でも良い。

１、５０：ｚ−カットＬＮ基板
１ａ：基板端面
２：マッハツェンダ型の光導波路
２ａ：入力光導波路
２ｂ：Ｙ分岐型の分岐光導波路
２ｃ−１、２ｃ−２：相互作用光導波路
２ｄ：Ｙ分岐型の合波光導波路
２ｅ、２ｆ：出力光導波路
２ｇ：出力光導波路の端部
２ｈ、５１Ｅ´：合波光導波路の合波点
２ｉ：Ｙ分岐型の分岐光導波路の遷移領域
３：電気信号源
４：進行波電極の中心導体
５ａ，５ｂ：接地導体
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ、５６´：放射光
６ｉ：放射光の干渉部
７：信号光用単一モード光ファイバ
７ａ：信号光用単一モード光ファイバのコア
８ａ：放射光受光用光ファイバ
８：放射光受光用光ファイバのコア
９：放射光検出手段
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：キャピラリー
１１、５４：モニタフォトディテクタ
１２：ミラー
１３：ガラスブロック
１４、１５：キャピラリー後端傾斜面に反射面として形成される誘電体多層膜
２０、２１、２２：反射溝
２０ａ：反射溝２０の壁
３０ａ、３０ｂ、５６´：放射光
３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、５６、５６´´：モニタ光
４０：ｚ−カットＬＮ基板１の側面
４１、４２、４３：反射面
５０´：基板５０の側面
５０Ａ：基板５０の表面
５１：光導波路
５１Ａ：入力光導波路
５１Ｂ：入力用３−ｄＢカプラ
５１Ｂ´：分岐光導波路の分岐点
５１Ｃ、５１Ｄ：相互作用光導波路
５１Ｅ：出力用３−ｄＢカプラ
５１Ｆ：信号光出力用光導波路
５１Ｇ、５１Ｇ´：モニタ光出力用光導波路
５１Ｈ：入力光導波路
５１Ｉ：出力光導波路
５２：進行波電極
５２Ａ：中心導体
５２Ｂ：接地導体
５２Ｃ：パッド
５３：反射溝
５５：ブロック材
５８：光出力側端面
５９：チッピング部
６０、６０´：光学接着剤
６１：光学接着剤を塗るための棒
６２：製造工程中の光学接着剤
７０、７１、７１´：モニタ光

Claims (6)

1. 電気光学効果を有する基板と、光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する中心導体及び接地導体とを具備し、前記光導波路は、少なくとも前記光を入射するための入力光導波路と、前記入力光導波路に入射した光を分岐する分岐光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路を伝搬した前記光を合波する合波光導波路と、前記合波光導波路から出力される信号光が入力される出力光導波路と、前記合波光導波路から出力される、前記信号光と位相が異なるモニタ光が入力されるモニタ光出力用光導波路とを含む光変調器と、
   前記基板の側面から出射される前記モニタ光を受光するモニタフォトディテクタと、を具備しており、
   前記モニタ光用出力光導波路は、前記出力光導波路が向かう基板側面とは異なる別の基板側面に向かって形成され、
   前記別の基板側面における前記モニタ光が通過する領域に光学接着剤が塗布されてなり、当該別の基板側面から出射される前記モニタ光の屈折角度が抑制されることを特徴とするモニタフォトディテクタ付き光変調器。
2. 前記光導波路がマッハツェンダ型光導波路であることを特徴とする請求項１に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。
3. 前記光導波路は、当該光導波路における光の導波方向と交わる方向に並列に構成された２個以上のマッハツェンダ型光導波路からなることを特徴とする請求項１に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。
4. 前記光学接着剤が、紫外線硬化型接着剤または熱硬化型接着剤であって、硬化時の屈折率が前記基板の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。
5. 前記モニタフォトディテクタを、前記基板に対して空間を介して具備していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。
6. 前記光学接着剤の表面の少なくとも一部が凸形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。

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