JP2014059475A

JP2014059475A - 光変調器

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Publication number: JP2014059475A
Application number: JP2012204799A
Authority: JP
Inventors: Minoru Shinozaki; 稔篠崎; Yuji Hayami; 佑治速水
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2012-09-18
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2014-04-03

Abstract

【課題】熱による不具合の発生を防止した信頼性の高い光変調器を提供する。
【解決手段】複屈折特性を有する電気光学結晶で構成された基板１０と、基板１０に形成された光導波路２８，２９と、基板１０に形成され、光導波路２８，２９を伝搬する光波を変調する光変調部２０と、基板１０と同じ電気光学結晶で形成され、光変調部２０で変調されて基板の出力端面１０ａから出力される２つの変調光を合波する合波部材１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器に関する。

近年、高速、大容量光ファイバ通信システムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、導波路型光学素子を用いた光変調器が実用化され、広く用いられるようになってきている。

このような光変調器として、ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム、ＬＮと称されることもある）からなる基板上に導波路を形成したＬＮ基板と、Ｓｉ基板上に光導波路を形成した石英系平面光波回路（ＰＬＣと称されることもある）とを組み合わせたＰＬＣ−ＬＮ変調器が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１２−７３３６６号公報

しかしながら、特許文献１に開示の光変調器においては、ＬＮ基板とＰＬＣとが異なる材料から形成されているため、熱膨張率の違いによる接合ズレに起因した破損や光損失の発生等が生じるおそれがあり、光変調器としての信頼性が低下するといった問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、熱による不具合の発生を防止した信頼性の高い光変調器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様に係る光変調器は、複屈折特性を有する電気光学結晶で構成された基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記基板に形成され、前記光導波路を伝搬する光波を変調する光変調部と、前記基板と同じ前記電気光学結晶で形成され、前記光変調部で変調されて前記基板の出力端面から出力される２つの変調光を合波する合波部材と、を備えることを特徴とする。

この光変調器によれば、基板及び該基板の出力端面から出力される２つの変調光を合波する合波部材が同じ電気光学結晶で形成されるので、基板及び合波部材間で熱膨張率に差が生じるのを防止できる。よって、熱の影響を受けた場合でも、基板における変調光の出力位置と、合波部材における変調光の入射位置がずれることが無い。従って、温度変動の影響を受けることなく光変調を行うことが出来る信頼性の高い光変調器が提供される。

また、上記光変調器においては、前記光変調部で変調されて前記基板の出力端面から出力される２つの変調光の偏波が前記合波部材の入射端面にて互いに９０度異ならせるように調整する偏波調整手段をさらに備えていてもよい。

また、上記光変調器においては、前記偏波調整手段が、非対称光導波路又は前記基板に配置された偏波回転部材で構成されていてもよい。

また、上記光変調器においては、前記偏波回転部材が前記基板の端面に配置されていてもよい。

また、上記光変調器においては、前記偏波回転部材は、前記２つの変調光のうちの一方を出力する前記基板の出力端面に配置されていてもよい。

また、上記光変調器においては、前記基板及び前記合波部材を構成する前記電気光学結晶が、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムであってもよい。

また、上記光変調器においては、前記合波部材は、合波した前記変調光を出力する合波出力端面を含み、前記合波出力端面にて前記変調光を結合させるように長さ及び結晶方位が構成されていてもよい。

また、上記光変調器においては、前記合波部材の前記合波出力端面側に設けられたレンズをさらに備えていてもよい。

また、上記光変調器においては、前記合波部材は、Ｌ字状の断面を有しており、前記基板の上面を覆うように配置されていてもよい。

本発明によれば、光変調光を合波する合波部材を基板と同じ電気光学結晶で構成することで熱膨張の違いによる位置ズレ等の不具合の発生を防止できる。

（ａ）は光変調器の上面図であり、（ｂ）は光変調器の側断面図である。光変調器の要部構成を示す平面図である。合波部材の光学軸及び寸法を示す図である。変形例に係る光変調器の構成を示す図である。変形例に係る光変調器の構成を示す図である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例としての実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
また、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

図１は、本実施形態に係る光変調器の構成を示し、図１（ａ）は光変調器の上面図であり、図１（ｂ）は光変調器の側断面図である。図２は光変調器の要部構成を示す平面図である。
光変調器１は、図１（ａ）に示されるように基板１０と、合波部材１１と、マイクロレンズ（レンズ）１２と、を有している。光変調器１の光入射側には、基板１０に光を入射させる入力用ファイバ１３が接続されている。また、光変調器１の光出力側には、出力用光ファイバ１４が接続されている。

基板１０は、複屈折性を有する電気光学結晶で構成されるものである。基板１０を構成する電気光学結晶としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）又はタンタル酸リチウムを例示することができ、本実施形態ではニオブ酸リチウムが用いられる。なお、基板１０は、複数の基板を組み合わせることで構成されていてもよい。

基板１０には、図２に示されるように光変調部２０が形成されている。光変調部２０は、基板１０上に形成された光導波路及び変調電極により構成される。光変調部２０は、マッハツェンダー型の光導波路（マッハツェンダー導波路と称す）２１、２２を有する。

光導波路２１，２２は、本実施形態の場合、基板１０の一部の屈折率を調整する方法により形成される。光導波路２１，２２は、例えば、基板１０の表面にチタンを熱拡散させる方法や、プロトン交換を施す方法により、領域選択的に屈折率を高くすることで形成することができる。
また、光導波路２１，２２はリッジ型光導波路であってもよい。リッジ型光導波路は、基板１０において光導波路２１，２２となる部位を残すように、その他の部分を機械的な切削や化学的なエッチングにより除去する方法により形成することができる。あるいは、光導波路２１，２２となる領域の両側に溝を形成する方法で作製してもよい。また、屈折率を調整する方法とリッジを形成する方法を組み合わせた方法により光導波路を形成してもよい。

マッハツェンダー導波路２１、２２は、入力導波路２７の他端２７ｂに設けられた分岐部にそれぞれ接続されている。入力導波路２７の一端２７ａは、入力用ファイバ１３に接続される。マッハツェンダー導波路２１は２つのアームを有し、各々のアームに位相変調部２３、２４を有する。マッハツェンダー導波路２２は、２つのアームを有し、各々のアームに位相変調部２５、２６を有する。位相変調部２３〜２６は、それぞれマッハツェンダー導波路と変調電極とを有する。

このような構成に基づき、基板１０は、入力用ファイバ１３を介して一端に入射した光を入力導波路２７に入射させる。入力導波路２７に入射した光は、分岐部で分岐されてマッハツェンダー導波路２１、２２にそれぞれ入射する。マッハツェンダー導波路２１、２２を経た光は、それぞれ出力導波路２８、２９を介して基板１０の出力端面１０ａから出力される。基板１０の出力端面１０ａは、反射を防止するため、光の出射方向に対して５度程度の角度を有するように研磨するか、無反射（ＡＲ）コーティングを施すことが好ましい。

位相変調部２３〜２６の各変調電極には、不図示の駆動回路から２５Ｇｂ／ｓの駆動信号が与えられ、各位相変調部２３〜２６は、２５Ｇｂ／ｓで変調された変調光を出力する。ここで、マッハツェンダー導波路２１の位相変調部２３、２４の変調方式は、ＤＱＰＳＫ（作動四相位相偏移変調）を用いる。マッハツェンダー導波路２２の位相変調部２４、２６の変調方式も同様である。これにより、マッハツェンダー導波路２１、２２を介して出力導波路２８、２９には、それぞれ５０Ｇｂ／ｓの変調光が入力されることとなる。

光変調器１は、光変調部２０で変調されて基板１０の出力端面１０ａから出力される２つの変調光の偏波面が合波部材１１の入射端面にて互いに９０度異ならせるように調整する偏波調整手段を備えている。本実施形態においては、基板１０の出力導波路２９に対応する出力端面１０ａに設けられた偏波回転部材５０が上記偏波調整手段を構成している。偏波回転部材５０は、１／２波長板から構成される。

偏波回転部材５０は、基板１０に光学的に接着されている。偏波回転部材５０は、出力端面１０ａから出力された光の偏波面を９０度回転させる機能を有する。一方、偏波回転部材５０が設けられていない基板１０の出力導波路２８に対応する出力端面１０ａから出力された光は偏波面が回転することがない。そのため、出力端面１０ａから出力された２つの変調光の偏波面が合波部材１１の入射端面にて互いに９０度傾いた状態（位相差なし）になる。

合波部材１１は、出力導波路２８、２９を介して基板１０の出力端面１０ａから出力される２つの変調光を合波するものであり、基板１０と同じ電気光学結晶で形成されている。本実施形態では、基板１０と同じニオブ酸リチウムから構成されている。

合波部材１１は、図１（ｂ）に示すように、基板１０における出力端面１０ａが形成された側面に当接する本体部１６と、該本体部１６に対して直交する方向に張り出した張出部１７とを含む。このように合波部材１１は、断面形状が概略Ｌ字状となっており、張出部１７が基板１０の上面を覆うように配置されている。

偏波回転部材５０は、合波部材１１に設けられた凹部１１ａに収容されている。これにより、偏波回転部材５０の表面は、合波部材１１の表面と同じ位置、すなわち面一状態となっている。なお、偏波回転部材５０は基板１０の導波路の途中に設けられていてもよい。この場合、偏波回転部材５０は、基板１０に形成した溝に埋め込んだ構成とすればよい。

合波部材１１及び偏波回転部材５０は、接着剤３０を介して基板１０と光学的に接着されている。接着剤３０としては、合波部材１１及び基板１０を構成するニオブ酸リチウムと同程度の屈折率を有するものを用いるのが好ましい。これによれば、合波部材１１及び基板１０と接着剤との界面で光の屈折や反射が生じるのを抑制することができる。接着剤３０は合波部材１１の張出部１７と基板１０の上面との間にも配置されている。

合波部材１１は、合波した変調光を出力する合波出力端面１５を含む。
合波部材１１は、後述するように合波出力端面１５において基板１０から入射した２つの変調光を結合させるように長さ及び結晶方位（結晶軸）が構成されている。

図３は合波部材１１の光学軸及び寸法を示す図である。
図３に示すように、合波部材１１の結晶軸Ｋ１は、基板１０の結晶軸Ｋ２に対し、平面内で４５度傾いた関係とされている。これにより、合波部材１１は、偏波回転部材５０を透過して入射した光（出力導波路２９からの出射光）を常光として該合波部材１１内を伝搬させ、偏波回転部材５０を透過することなく直接入射した光（出力導波路２８からの出射光）を異常光として伝播させることができる。

出力導波路２８、２９間の間隔ｄ１は、例えば３０〜７０μｍ程度に設定するのが好ましく、本実施形態では５０μｍと設定した。偏波回転部材５０の厚みは８０μｍとした。この場合において、上述した結晶軸Ｋ１を有する合波部材１１は、長さｄ２が１．５ｍｍに設定される。ここで、合波部材１１の長さｄ２とは、基板１０側から入射された光が該合波部材１１内を進む方向の寸法である。また、マイクロレンズ（レンズ）１２は、その光出射端面側から基板１０の出力端面１０ａまでの距離ｄ３が３ｍｍ以内に設定されている。

このような構成に基づき、合波部材１１は、基板１０の出力端面１０ａ（出力導波路２８，２９）を介して異なる位置に入射した２つの光（変調光）を合波し、同一の光路上に互いの偏波面が直交する５０Ｇｂ／ｓの変調光が合成されてなる１００Ｇｂ／ｓの変調光を合波出力端面１５から射出させることができる。

マイクロレンズ１２は、不図示の領域において合波部材１１と光学的に接着されている。マイクロレンズ１２は、合波部材１１から射出される２本の光を集光して出力用光ファイバ１４に導いて入射させるためのものである。

以上述べたように、本実施形態に係る光変調器１によれば、基板１０及び合波部材１１が同じ電気光学結晶（ニオブ酸リチウム）で形成されるので、基板１０及び合波部材１１間で熱膨張率に差が生じるのを防止できる。よって、熱の影響を受けた場合でも、基板１０及び合波部材１１の接合部分にズレが生じることが無く、基板１０における変調光の出力位置（出力端面１０ａ）と、合波部材１１における変調光の入射位置がずれることが無い。従って、接合ズレに起因した光損失の発生を防止することができる。また、接合位置にズレが生じないため、基板１０及び合波部材１１に負荷がかかることで破損するといった不具合の発生を防止できる。従って、温度変動の影響を受けた場合であっても安定的に光変調を行うことが出来る信頼性の高い光変調器１を提供することができる。

また、本実施形態において、合波部材１１は断面形状が概略Ｌ字状となっている。そのため、本体部１６及び張出部１７を基板１０に度当たり状態で当接させることで合波部材１１を基板１０に容易に貼り付けることができる。よって、合波部材１１及び基板１０のアライメントが不要となり、光変調器１の組み立て作業を容易なものとすることができる。
また、合波部材１１は、張出部１７が基板１０の上面を覆うように配置されているため、合波部材１１と基板１０との接着面積が増すことで光変調器１の機械的強度を向上させることができる。
また、従来の光変調器は、複数の部品を空間的にアライメントしながら組み立てるため、プロセス、部品に要するコストが高いといった問題があった。これに対し、本実施形態に係る光変調器１は、基板１０にアライメントを行うことなく合波部材１１を貼り合せるといった簡便なプロセスで製造できるので、低コスト化を実現できる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

例えば、上記実施形態では１つの偏波回転部材５０により出力端面１０ａから出力された２つの変調光の偏波面を合波部材１１の入射端面にて互いに９０度傾いた状態とする場合を例に説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されることはなく、２つの偏波回転部材を用いて２つの変調光の偏波面を傾けるようにしても良い。２つの変調光の偏波面は、合波部材１１の入射端面において互いに９０度傾いていればよく、一方の変調光の偏波面を４５度、他方の変調光の偏波面を−４５度傾けることで全体として９０度傾けるようにしても良い。この場合、合波部材１１の結晶軸の向きは、入射端面にて互いに９０度傾いた状態から光軸方向を中心軸として回転して調整すればよい。また、２つの変調光の偏波面が互いに９０度傾いていれば上記に限定されるものではない。

具体的に図４に示すように、基板１０の出力導波路２８，２９のそれぞれに対応させて出力端面１０ａに偏波回転部材５１、５２を設ける。偏波回転部材５１は、出力導波路２８に対応する出力端面１０ａから射出される変調光の偏波面を４５度回転させる機能を有するものである。また、偏波回転部材５２は、出力導波路２９に対応する出力端面１０ａから射出される変調光の偏波面を−４５度回転させる機能を有するものである。

この構成によれば、出力端面１０ａから射出された変調光はそれぞれ偏波回転部材５１、５２により偏波面が合計で９０度だけ回転し、上記実施形態と同様、合波部材１１の入射端面にて互いの偏波面が相対的に９０度傾いた状態とすることができる。

また、上記実施形態では、偏波回転部材５０が合波部材１１に設けられた凹部１１ａに収容されることで、偏波回転部材５０及び合波部材１１における光が入射する側の面がそれぞれ面一状態となっている場合を例に説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されることはない。偏波回転部材５０が合波部材１１の本体部１６及び基板１０に直接貼り付けられ、基板１０の出力端面１０ａと合波部材１１との一部に隙間が生じていても良い。

この場合、図５に示すように、基板１０の出力端面１０ａと合波部材１１との間に隙間には接着剤３０が充填されている。この接着剤３０としては、合波部材１１及び基板１０を構成するニオブ酸リチウムと同程度の屈折率を有するものが用いられる。そのため、基板１０の出力導波路２９から出力された変調光は基板１０及び接着剤３０の界面及び接着剤３０及び合波部材１１の界面で反射又は屈折すること無く、合波部材１１に入射する。よって、合波部材１１は、接着剤３０を透過する際の光損失を生じることなく、出力端面１０ａから出射された２つの変調光を合波することができる。

また、上記実施形態では、偏波調整手段として偏波回転部材５０を例示したが、パッシブではない電圧を印加することで偏波調整を行う、或いはＬＮ変調器を利用して偏波調整を行うようにしてもよい。

１…光変調器、１０…基板、１０ａ…出力端面、１１…合波部材、１２…マイクロレンズ（レンズ）、１５…合波出力端面、２０…光変調部、２１…マッハツェンダー導波路、２２…マッハツェンダー導波路、２７…入力導波路、２８、２９…出力導波路、５０、５１、５２…偏波回転部材、Ｋ１、Ｋ２…結晶軸

Claims

複屈折特性を有する電気光学結晶で構成された基板と、
前記基板に形成された光導波路と、
前記基板に形成され、前記光導波路を伝搬する光波を変調する光変調部と、
前記基板と同じ前記電気光学結晶で形成され、前記光変調部で変調されて前記基板の出力端面から出力される２つの変調光を合波する合波部材と、
を備えることを特徴とする光変調器。
前記光変調部で変調されて前記基板の出力端面から出力される２つの変調光の偏波面が前記合波部材の入射端面にて互いに９０度異ならせるように調整する偏波調整手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
前記偏波調整手段が、非対称光導波路又は前記基板に配置された偏波回転部材で構成される
ことを特徴とする請求項1又は２に記載の光変調器。
前記偏波回転部材が前記基板の端面に配置される
ことを特徴とする請求項３に記載の光変調器。
前記偏波回転部材は、前記２つの変調光のうちの一方を出力する前記基板の出力端面に配置される
ことを特徴とする請求項４に記載の光変調器。
前記基板及び前記合波部材を構成する前記電気光学結晶が、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムである
ことを特徴とする請求項1〜５のいずれか一項に記載の光変調器。
前記合波部材は、合波した前記変調光を出力する合波出力端面を含み、前記合波出力端面にて前記変調光を結合させるように長さ及び結晶方位が構成されている
ことを特徴とする請求項1〜６のいずれか一項に記載の光変調器。
前記合波部材の前記合波出力端面側に設けられたレンズをさらに備える
ことを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
前記合波部材は、Ｌ字状の断面を有しており、前記基板の上面を覆うように配置される
ことを特徴とする請求項1〜８のいずれか一項に記載の光変調器。