JP2022155813A - 光導波路素子とそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】伝搬損失や結合損失など光損失が発生している箇所を容易に特定することが可能な光導波路素子を提供すること。【解決手段】光導波路２を形成した基板１を備えた光導波路素子において、該光導波路２の一部に形成されたグレーティング６、又は該光導波路２の一部に合流又は分岐するモニタ用光導波路５に接続されたグレーティング６を備え、該グレーティング６を介して、該光導波路に光波を入力するか、又は該光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を出力することを特徴とする。【選択図】図２
Description
本発明は、光導波路素子とそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置に関し、特に、光導波路を形成した基板を備えた光導波路素子に関する。
光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板に光導波路を形成し、光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を備えた光変調器などの光導波路素子が多用されている。
ＨＢ－ＣＤＭ（Ｈｉｇｈ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｒｉｖｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）のように、近年の光変調デバイスにおいては、光導波路素子を駆動するドライバ回路を光導波路素子と一緒に筐体内に組み込み、さらに全体のパッケージを小型化することなどが求められている。ドライバ回路を光導波路素子の一端側に配置し、高周波信号を光導波路素子に入力する場合、光導波路素子の他端側には、光波を入力する入力部と光波を出力する出力部を一緒に配置することが提案されている。
このように光入出力を基板の同一端に配置するには、特許文献１に示すような折り返し光導波路を形成する必要がある。従来のＬＮを用いた光変調器では、形成される光導波路の幅は、光ファイバのコア径と同じ１０μｍ程度であった。このため、１０μｍの幅の光導波路を折り返した場合には、基板の小型化が難しく、しかも折り返し部での伝搬損失も大きくなるという問題を生じていた。
この問題を解消するため、光導波路の幅を１μｍ程度に狭くした光導波路素子が提案されている。ただし、光導波路素子と光ファイバとを接続するには、伝搬する光波のモードフィールド径（ＭＦＤ）が大きく異なるため、単純に接続した場合には、接続損失も大きくなる。このため、光導波路素子の光導波路の入力部及び出力部に、ＭＦＤを変化させるスポットサイズ変換部（ＳＳＣ）を設けることも提案されている。
図１は、ＨＢ－ＣＤＭに用いられる光導波路素子の一例であり、基板１に折り返しの光導波路２を設け、さらに、光導波路の入力部や出力部にＳＳＣ（入力部のＳＳＣを符号３で示す。）が設けられている。Ｌｉｎは光ファイバを介して入力される入力光である。また、２つの出力部から出た光波は偏波合成部４を経て出力光Ｌｏｕｔとして光ファイバーに入力される。光導波路の形状も単純に折り返すだけでなく、複数のマッハツェンダー型光導波路を入れ子状（ネスト型）に配置するなど、複雑化している。
図１では、光波が入力用光ファイバーから入力部のＳＳＣ３、光導波路２（マッハツェンダー型光導波路）、出力部のＳＳＣ及び出力用光ファイバーの順で複数の構成パーツを順次伝搬している。仮に、光変調器全体の伝搬損失が大きい場合には、光波の伝搬箇所が多岐に亘るため、どの箇所に問題があるかを容易に特定できないという問題がある。
また、ＳＳＣが光導波路の幅を徐々に拡大するように形成する場合には、ＳＳＣは光導波路の形成時に同時に形成され、容易に光導波路の検査（評価）を行うことができる。しかしながら、光導波路形成後に別の材料を追加するなどしてＳＳＣを形成する場合には、光導波路形成時点での光導波路のＭＦＤが小さく光の入出力は困難であるため光導波路の検査（評価）は容易ではなかった。
また、基板の一部にミラーを形成し光波を反射させる構成も考えられるが、ＭＦＤが小さい場合は開口数（ＮＡ）が大きくなるため、光波全体を反射させるためには十分大きな高い面精度を有するミラーを基板上に形成する必要があり現実的ではなかった。
また、ＳＳＣが光導波路の幅を徐々に拡大するように形成する場合には、ＳＳＣは光導波路の形成時に同時に形成され、容易に光導波路の検査（評価）を行うことができる。しかしながら、光導波路形成後に別の材料を追加するなどしてＳＳＣを形成する場合には、光導波路形成時点での光導波路のＭＦＤが小さく光の入出力は困難であるため光導波路の検査（評価）は容易ではなかった。
また、基板の一部にミラーを形成し光波を反射させる構成も考えられるが、ＭＦＤが小さい場合は開口数（ＮＡ）が大きくなるため、光波全体を反射させるためには十分大きな高い面精度を有するミラーを基板上に形成する必要があり現実的ではなかった。
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、伝搬損失や結合損失など光損失が発生している箇所を容易に特定することが可能な光導波路素子を提供することである。また、この光導波路素子を用いた光変調デバイス及び光送信装置を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の光導波路素子、光変調デバイス、及び光送信装置は、以下のような技術的特徴を有する。
（１） 光導波路を形成した基板を備えた光導波路素子において、該光導波路の一部に形成されたグレーティング、又は、該光導波路の一部に合流又は分岐するモニタ用光導波路に接続されたグレーティングを備え、該グレーティングを介して、該光導波路に光波を入力するか、又は該光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を出力することを特徴とする。
（１） 光導波路を形成した基板を備えた光導波路素子において、該光導波路の一部に形成されたグレーティング、又は、該光導波路の一部に合流又は分岐するモニタ用光導波路に接続されたグレーティングを備え、該グレーティングを介して、該光導波路に光波を入力するか、又は該光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を出力することを特徴とする。
（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該光導波路がマッハツェンダー型光導波路を備え、該グレーティングにより、該マッハツェンダー型光導波路の入力部に光波を入力するか、又は該マッハツェンダー型光導波路の出力部からの光波の少なくとも一部を出力することを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該光導波路はリブ型光導波路であることを特徴とする。
（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路の端部には、光波のモードフィールド径を変化させるスポットサイズ変換部が設けられていることを特徴とする。
（５） 上記（２）乃至（４）のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を出力する該グレーティングの上面側には、受光素子が配置されていることを特徴とする。
（６） 上記（５）に記載の光導波路素子において、該グレーティングから出力される光波で該受光素子に入射しない光波を吸収する光吸収部材を設けることを特徴とする。
（７） 上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光導波路素子において、該モニタ用光導波路に接続されている該グレーティングに対して、該モニタ用光導波路が配置されている側と反対の側には、光吸収部材が配置されていることを特徴とする。
（８） 上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光導波路素子において、該モニタ用光導波路から該グレーティングに伝搬する光波の進行方向の延長線上には、光導波路の分岐部及び合波部、並びに該基板の外に配置される光学部品の光路が配置されないことを特徴とする。
（９） 上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板の上面の一部に補強部材が配置され、該グレーティングは該補強部材が配置されていない位置に形成されていることを特徴とする。
（１０） 上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の光導波路素子と、該光導波路素子を収容する筐体と、該光導波路素子に光波を入出力する光ファイバとを有することを特徴とする光変調デバイスである。
（１１） 上記（１０）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を該基板に設け、該変調電極に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部又は外部に有することを特徴とする。
（１２） 上記（１１）に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置である。
本発明により、光導波路を形成した基板を備えた光導波路素子において、該光導波路の一部に形成されたグレーティング、又は、該光導波路の一部に合流又は分岐するモニタ用光導波路に接続されたグレーティングを備え、該グレーティングを介して、該光導波路に光波を入力するか、又は該光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を出力するように構成している。このため、該グレーティングを介して光波を特定の光導波路に入力したり、該グレーティングを介して特定の光導波路を伝搬する光波の一部を導出することが簡単に可能となる。これにより、光導波路素子の特定箇所の光損失を容易に検査することが可能となる。
以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図２乃至６に示すように、光導波路２を形成した基板１を備えた光導波路素子において、該光導波路２の一部に形成されたグレーティング６、又は該光導波路２の一部に合流又は分岐するモニタ用光導波路５に接続されたグレーティング６を備え、該グレーティング６を介して、該光導波路に光波を入力するか、又は該光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を出力することを特徴とする。
本発明は、図２乃至６に示すように、光導波路２を形成した基板１を備えた光導波路素子において、該光導波路２の一部に形成されたグレーティング６、又は該光導波路２の一部に合流又は分岐するモニタ用光導波路５に接続されたグレーティング６を備え、該グレーティング６を介して、該光導波路に光波を入力するか、又は該光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を出力することを特徴とする。
電気光学効果を有する基板１としては、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）などの基板や、これらの材料による気相成長膜やこれらの材料を異種の基板に接合した複合基板などが利用可能である。
また、半導体材料や有機材料など種々の材料も利用可能である。
また、半導体材料や有機材料など種々の材料も利用可能である。
光導波路の形成方法としては、光導波路以外の基板表面をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板の光導波路に対応する部分を凸状としたリブ型光導波路を利用することが可能である。また、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に高屈折率部分を形成することで光導波路を形成することも可能である。リブ型光導波路部分に高屈折率材料を拡散するなど、複合的な光導波路を形成することも可能である。
光導波路を形成した基板は、変調信号のマイクロ波と光波との速度整合を図るため、１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは１μｍ未満の厚さ（厚さの下限は０．３μｍ以上が好ましい）まで研磨され、薄板化される。リブ型光導波路の高さは、１μｍ以下に設定することが好ましい。また、保持基板の上に気相成長膜を上述の基板の厚さ程度で形成し、当該膜を上述のような光導波路の形状に加工することも可能である。
光導波路を形成した基板（薄板、薄膜）は、機械的強度を高めるため、直接接合又は樹脂等の接着層を介して、保持基板に接着固定される。直接接合する保持基板としては、光導波路や光導波路を形成した基板よりも屈折率が低く、光導波路などと熱膨張率が近い材料、例えば石英等が好適に利用される。また、低屈折率の中間層を介して保持基板に接合する際には、光導波路を形成した基板と同じ材料、例えばＬＮ基板などを補強基板として利用することや、シリコンなどの高屈折率の基板を保持基板として利用することも可能である。
光導波路素子を光変調器として使用する際には、光導波路、特に、マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路に沿って変調電極が配置される。また、本発明の光導波路素子には、特許文献２などのように、光波のＭＦＤを変化させるスポットサイズ変換部（ＳＳＣ）３が配置されても良い。特に、光導波路形成後に別の材料を追加するなどしてＳＳＣを形成する場合のように、ＭＦＤが小さい光導波路を使用する場合でも、後述するグレーティングを用いることにより、高い面精度を有するミラーを必要とせず、容易に光導波路の検査を行うことが可能となる。
図２及び図３に示すように、本発明の光導波路素子の特徴の一つは、光導波路２の一部にグレーティング６を形成することである。グレーティング６を介して、外部の光源７からの光波を光導波路２に入力することや、光導波路２を伝搬している光波の一部を外部に出力し、例えば、受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）で受光することが可能となる。本発明の「光導波路」はその一部にスポットサイズ変換部（ＳＳＣ）３を形成する場合も含まれる。光導波路を形成後に別の材料を追加してＳＳＣを形成する場合や、光導波路を加工してＳＳＣを形成する場合であっても、必要に応じて、当該ＳＳＣの一部にグレーティングを形成することも可能である。
また、図４乃至６に示すように、光導波路２に接続するモニタ用光導波路５を用いることも可能である。本発明に使用されるモニタ用光導波路５は、光導波路２の途中から光波を入力したり、光導波路２の途中から光波の一部を導出するために使用される。光導波路２とモニタ用光導波路５との合流や分岐には、Ｙ字型の光導波路を用いた合流部や分岐部の構成に限らず、光カプラーなどの合波又は分岐手段を用いることも可能である。
本発明に使用されるグレーティング６は、光導波路の表面に周期的な凹凸又は周期的な密度分布を形成することで構成することが可能である。光波の入出力を容易にするため、グレーティング６の部分では光導波路の幅を広げて構成することも可能である。
図２又は図４の光導波路素子を用いた検査方法を説明する。以下では、図４の実施例を中心に説明する。当然、図２の実施例にも同様に適用できることは言うまでもない。光源７からの検査光をグレーティングに入射し、グレーティングから入った検査光は光導波路２に直接入力されるか、モニタ用光導波路５を介して光導波路２に入力される。そして複数のマッハツェンダー型光導波路を経た検査光は、光導波路２に形成されたグレーティングから、又は、出力側に配置されたモニタ用光導波路及びグレーティングを経て外部に出射され、受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）で検出される。この検査方法では、ＳＳＣ３を経ずに光導波路２自体の光損失を測定することができるため、基板１に形成された光導波路２の状態（特性）を容易に判定（評価）することができる。
また、光導波路２の状態を判定した上で、光源７に代えて光導波路素子の入力部に光ファイバ等で検査光を入力し、図２又は図４の受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）で検査光を受光することで、入力部のＳＳＣの状態や入力用光ファイバと入力部との接続状態を判定することが可能となる。
さらに、光導波路２の状態を判定した上で、光源７から検査光を入力し、光導波路素子の出力部から出射する光波を、光ファイバや偏波合成手段を含む光学部品を経て検出することで、出力部のＳＳＣの状態や出力側の光学系と出力部との接続状態を判定することも可能となる。
図５はグレーティング６やモニタ用光導波路５の様子を説明する側面図であり、図６は平面図である。グレーティング６の斜め上側から光源７により光波がグレーティング６に入射される。グレーティング６の出射側では、モニタ用光導波路５を経てグレーティング６に入射した光波は、グレーティング６の斜め後側に放出され、受光素子（ＰＤ）で検出される。
図４のグレーティングは検査で使用されると、その後不要となる。光導波路２に光波を入力するグレーティング６やモニタ用光導波路５は、グレーティング６の表面を電極等で覆うことにより光波が入らず、そのまま放置しても特に問題は無い。しかしながら、光導波路２を伝搬する光波の一部を抽出するモニタ用光導波路５及びグレーティング６は、常に光波の一部を導出しているため、有効利用することが求められる。その一例として、図７に示すように、グレーティング６の上側に受光素子８を配置し、光導波路２を伝搬する光波をモニタし、変調電極（ＤＣバイアス電極を含む）のバイアス制御に使用することも可能である。グレーティング６は光波を上方に放射する特性があるため、従来のエバネッセント光等を検出するよりもより高感度で光波をモニタすることが可能となる。
図８は、図４の入力側のグレーティング６等を省略したものであり、光ファイバ等の入力光を検査光として、光導波路素子の入力部（ＳＳＣ３）に入射し、入力側のＳＳＣ３及び光導波路２の光損失などの光学特性を一度に測定することを可能としている。また、受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）で検査光を受光しモニタすることで、入力側の光ファイバと光導波路素子の入力部とのアライメントを調整することも可能である。
図９は、図４の出力側のグレーティング６等を省略したものであり、光源７から検査光をグレーティング６に入力し、光導波路２及び光導波路素子の出力部（ＳＳＣ３）の出射光を検出することで、光導波路２及び出力部のＳＳＣ３の光損失を一度に測定することを可能としている。また、出力側の光ファイバや光学部品などと光導波路素子の出力部とのアライメントを調整することも可能である。
図１０は、光導波路２の入力部及び出力部のみでなく、マッハツェンダー型光導波路毎の光損失を測定するため、マッハツェンダー型光導波路の入力部又は出力部にモニタ用光導波路５とグレーティング６を接続配置したものである。具体的には図１０は複数のマッハツェンダー型光導波路を入れ子状に配置した構成であり、サブマッハツェンダー型光導波路や、それらを各分岐導波路に持つメインマッハツェンダー型光導波路の入力部や出力部などにもモニタ用光導波路５とグレーティング６を接続配置している。
マッハツェンダー型光導波路の出力部に配置されたグレーティング等は、検査終了後に、受光素子をグレーティングの上側に配置固定し、当該マッハツェンダー型光導波路の変調状態をモニタするために使用することも可能である。
また、モニタ用光導波路５とグレーティング６は図１０に記載のその他のマッハツェンダー型光導波路の入力部又は出力部に形成してもよい。
また、モニタ用光導波路５とグレーティング６は図１０に記載のその他のマッハツェンダー型光導波路の入力部又は出力部に形成してもよい。
モニタ用光導波路５からグレーティング６に入射した光波は、グレーティング６によりグレーティング６の後方上向きに放射されるが、光波の一部は、グレーティング６の後方の基板１内を伝搬する。このため、モニタ用光導波路５からグレーティング６に伝搬する光波の進行方向の延長線上には、光導波路２の分岐部及び合波部、並びに基板１の外に配置される光学部品の光路が配置されないようにすることが好ましい。特に、図１０のように光入出力を基板の同一端に配置する折り返し型光導波路の場合、光の入力部と出力部が例えば１５００μｍ以下、場合によって１０００μｍ以下程度と非常に近接するためこのような構成は特に好ましい。これにより、ノイズ光の混入を抑制することが可能となる。
また、ノイズ光を効果的に除去するためには、例えば、図１１に示すように、グレーティング６に対して、モニタ用光導波路５が配置されている側と反対の側に、金属（電極等）などの光吸収部材（ＡＢ２）が配置されてもよい。なお、ここでの「反対の側」とは、例えば、グレーティング６の後方の基板１内を伝搬する光波の少なくとも一部を直接的もしくは間接的に吸収する位置であればよい。
また、受光素子で受光できなかったグレーティングからの高次の回折光やそれらの多重反射光を吸収するため、図３に示すように、受光素子（ＰＤ１）の後側に、金属などの光吸収部材（ＡＢ１）を配置することも可能である。当該技術は、図４の光導波路素子にも同様に適用できる。また、図７に示すようにグレーティングの上側に受光素子８を配置した場合にも、受光素子８の上側に光吸収部材を配置することができる。光吸収部材に金属を設けた場合、それを接地電極と接続して用いることも可能である。
基板１の光導波路の入力部や出力部には、光ファイバや光学部品と基板１との接続をサポートするため補強部材１０が配置される。この補強部材１０とグレーティング６との干渉を避けるため、図１２に示すように、グレーティング６は補強部材１０が配置されていない位置に形成することが好ましい。
図１２に示すように、本発明の光導波路素子（基板１）を金属等の筐体ＣＡ内に収容し、筐体の外部と光導波路素子とを光ファイバＦで接続することで、コンパクトな光変調デバイスＭＤを提供することができる。当然、基板１の光導波路の入射部又は出射部に光ファイバを直接接続するだけでなく、空間光学系を介して光学的に接続することも可能である。
光変調デバイスＭＤに変調動作を行わせる変調信号Ｓ０を出力する電子回路（デジタル信号プロセッサーＤＳＰ）を、光変調デバイスＭＤに接続することにより、光送信装置ＯＴＡを構成することが可能である。光導波路素子に印加する変調信号Ｓは増幅する必要があるため、ドライバ回路ＤＲＶが使用される。ドライバ回路ＤＲＶやデジタル信号プロセッサーＤＳＰは、筐体ＣＡの外部に配置することも可能であるが、筐体ＣＡ内に配置することも可能である。特に、ドライバ回路ＤＲＶを筐体内に配置することで、ドライバ回路からの変調信号の伝搬損失をより低減することが可能となる。
以上のように、本発明によれば、伝搬損失や結合損失など光損失が発生している箇所を容易に特定することが可能な光導波路素子を提供することが可能となる。また、この光導波路素子を用いた光変調デバイス及び光送信装置を提供することが可能となる。
１ 基板
２ 光導波路
３ スポットサイズ変化部（ＳＳＣ）
５ モニタ用光導波路
６ グレーティング
２ 光導波路
３ スポットサイズ変化部（ＳＳＣ）
５ モニタ用光導波路
６ グレーティング
Claims (12)
- 光導波路を形成した基板を備えた光導波路素子において、
該光導波路の一部に形成されたグレーティング、又は、該光導波路の一部に合流又は分岐するモニタ用光導波路に接続されたグレーティングを備え、
該グレーティングを介して、該光導波路に光波を入力するか、又は該光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を出力することを特徴とする光導波路素子。 - 請求項１に記載の光導波路素子において、該光導波路がマッハツェンダー型光導波路を備え、該グレーティングにより、該マッハツェンダー型光導波路の入力部に光波を入力するか、又は該マッハツェンダー型光導波路の出力部からの光波の少なくとも一部を出力することを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該光導波路はリブ型光導波路であることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路の端部には、光波のモードフィールド径を変化させるスポットサイズ変換部が設けられていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項２乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を出力する該グレーティングの上面側には、受光素子が配置されていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項５に記載の光導波路素子において、該グレーティングから出力される光波で該受光素子に入射しない光波を吸収する光吸収部材を設けることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載の光導波路素子において、該モニタ用光導波路に接続されている該グレーティングに対して、該モニタ用光導波路が配置されている側と反対の側には、光吸収部材が配置されていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至７のいずれかに記載の光導波路素子において、該モニタ用光導波路から該グレーティングに伝搬する光波の進行方向の延長線上には、光導波路の分岐部及び合波部、並びに該基板の外に配置される光学部品の光路が配置されないことを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至８のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板の上面の一部に補強部材が配置され、該グレーティングは該補強部材が配置されていない位置に形成されていることを特徴とする光導波路素子。
- 請求項１乃至９のいずれかに記載の光導波路素子と、該光導波路素子を収容する筐体と、該光導波路素子に光波を入出力する光ファイバとを有することを特徴とする光変調デバイス。
- 請求項１０に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路を伝搬する光波を変調する変調電極を該基板に設け、該変調電極に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部又は外部に有することを特徴とする光変調デバイス。
- 請求項１１に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置。
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