JP2023037926A - 光デバイス及び光通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】安定した分岐比を確保できる光デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】光デバイスは、変調器と、タップカプラとを有する。変調器は、薄膜ＬＮ（Lithium Niobate）基板で形成され、光が通過する光導波路と、前記光導波路に電圧を印加する電極と、を有し、前記電圧に応じた前記光導波路内の電界に応じて通過する前記光の位相を変調する。タップカプラは、前記薄膜ＬＮ基板で少なくとも一部が形成され、前記光導波路内を通過する前記光の一部を分岐する。前記タップカプラは、前記光導波路から前記タップカプラ内部を通過する前記光の位相差に応じた分岐比で、通過する前記光の一部を分岐する遅延干渉計を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、光デバイス及び光通信装置に関する。
従来の光変調器は、例えば、基板上に設けられた光導波路及び、その近傍に設けられた変調部で構成される。変調部は、信号電極と、接地電極とを有し、信号電極に電圧を与えると、光導波路内に電界が発生し、光導波路内の電界によって光導波路の屈折率が変化し、光の位相が変化する。光導波路はマッハツェンダ干渉計を構成し、光導波路間の光の位相の差により光出力が変化する。
光変調器では、例えば、４チャネルのマッハツェンダ変調器が集積されている。各マッハツェンダ干渉計には、ＲＦ（Radio Frequency）変調部とＤＣ（Direct Current）変調部とがある。ＲＦ変調部の電極には、例えば、数１０ＧＨｚの帯域を有する高周波信号を入力し、高速変調を行う。また、ＤＣ変調部の電極には、バイアス電圧を印加し、電気信号のＯＮ/ＯＦＦが光信号のＯＮ/ＯＦＦに対応するようにバイアス電圧を調整する。
光変調器の光導波路は、例えば、マッハツェンダ干渉計を構成し、平行に配置された複数の光導波路間の光の位相差により、例えば、ＸＹ偏波多重されるＩＱ信号を出力する。そして、４チャネルの出力を２チャネルずつ合波して２つのＩＱ信号とし、その一つを偏波回転して偏波ビームコンバイナで偏波多重化して出力することになる。
一方、光導波路は、例えば、チタン等の金属を基板表面から拡散することにより、信号電極と重ならない位置に形成される拡散光導波路がある。図９は、従来のＤＣ変調部１００の一例を示す略断面図である。図９に示すＤＣ変調部１００は、ＬＮ（Lithium Niobate：ニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ３）結晶のＬＮ基板１０１と、ＬＮ基板１０１表面に形成された拡散光導波路１０２とを有する。更に、ＤＣ変調部１００は、ＬＮ基板１０１上の拡散光導波路１０２を被覆するバッファ層１０３と、バッファ層１０３上に積層された電極１０４とを有する。電極１０４は、信号電極１０４Ａと、一対の接地電極１０４Ｂとを有する。
拡散光導波路１０２は、信号電極１０４Ａ及び一対の接地電極１０４Ｂと重ならない位置に配置されるものである。バッファ層１０３は、ＤＣドリフト（印加されたバイアス電圧に起因して起きる出射光の経時変化）を抑制するために抵抗値が低くなるように組成及び膜厚を決める。
しかしながら、この拡散光導波路１０２は光の閉じ込めが弱いため、電界の印加効率が悪く、そのため、駆動電圧が高くなる。そこで、ＬＮ結晶の薄膜を用いた光導波路が信号電極と重ならない位置に形成される薄膜光導波路がある。薄膜光導波路は、金属を拡散させる拡散光導波路よりも光の閉じ込めを強くすることができ、電界の印加効率を改善し、駆動電圧を低減できる。
図１０は、従来のＤＣ変調部２００の一例を示す略断面図である。図１０に示すＤＣ変調部２００は、Ｓｉ（シリコン）等の支持基板２０１と、支持基板２０１上に積層された中間層２０２とを有する。更に、ＤＣ変調部２００は、中間層２０２上に積層された薄膜ＬＮ基板２０３と、薄膜ＬＮ基板２０３上に積層されたＳｉＯ2のバッファ層２０４とを有する。
薄膜ＬＮ基板２０３は、上方へ突起する凸形状の薄膜光導波路２０６である。薄膜光導波路２０６は、リブ２０６Ａと、リブ２０６Ａの両脇に形成されたスラブ２０６Ｂとを有するリブ型導波路である。そして、リブ２０６Ａ及びスラブ２０６Ｂは、バッファ層２０４によって被覆され、バッファ層２０４の表面にコプレーナ（ＣＰＷ：Coplanar Waveguide）構造の信号電極２０５Ａ（２０５）及び一対の接地電極２０５Ｂ（２０５）が配置される。つまり、バッファ層２０４上には、信号電極２０５Ａと、信号電極２０５Ａを挟む一対の接地電極２０５Ｂとが配置されている。尚、バッファ層２０４は、薄膜光導波路２０６を伝搬する光が信号電極２０５Ａ及び接地電極２０５Ｂで吸収されるのを防止できる。
信号電極２０５Ａと接地電極２０５Ｂとの間に位置する薄膜ＬＮ基板２０３には、凸形状の薄膜光導波路２０６が形成されている。更に、信号電極２０５Ａと接地電極２０５Ｂとの間に位置するバッファ層２０４にも、凸形状の薄膜光導波路２０６全体を被覆する段差部２０４Ａがある。
このような薄膜光導波路２０６によれば、信号電極２０５Ａにバイアス電圧を印加して電界を発生させ、薄膜光導波路２０６の屈折率を変化させることにより、薄膜光導波路２０６を伝搬する光を変調することができる。
ＤＣ変調部２００では、薄膜光導波路２０６の出力光の一部をモニタ光としてタップカプラで分岐し、分岐されたモニタ光の光強度に基づき、信号電極２０５Ａに印加するバイアス電圧を調整するフィードバック回路がある。フィードバック回路に使用するタップカプラは、薄膜光導波路２０６に配置された２本の導波路による方向性結合器で構成する。フィードバック回路では、光の強度を正確にモニタするために、タップカプラの分岐比を安定化させる必要がある。
特開昭６１－２８９２５号公報 特開２０２０－１３４８７４号公報
薄膜ＬＮ結晶で形成した薄膜光導波路２０６では、光の閉じ込めが強くなるため、光が一部に集中することになる。しかしながら、薄膜光導波路２０６に隣接するタップカプラの導波路では、薄膜光導波路２０６の光が伝搬する方向性結合が弱くなる。しかも、タップカプラの分岐比はタップカプラ内の導波路の幅に大きく依存することになるため、タップカプラでは、導波路の幅の製造誤差による影響で分岐比が大きく変化してしまう。その結果、導波路の幅の製造誤差によってタップカプラで分岐するモニタ光の値のバラツキが大きくなってしまう。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、安定した分岐比を確保できる光デバイス等を提供することを目的とする。
本願が開示する光デバイスは、１つの態様において、変調器と、タップカプラとを有する。変調器は、薄膜ＬＮ（Lithium Niobate）基板で形成され、光が通過する光導波路と、前記光導波路に電圧を印加する電極と、を有し、前記電圧に応じた前記光導波路内の電界に応じて通過する前記光の位相を変調する。タップカプラは、前記薄膜ＬＮ基板で少なくとも一部が形成され、前記光導波路内を通過する前記光の一部を分岐する。前記タップカプラは、前記光導波路から前記タップカプラ内部を通過する前記光の位相差に応じた分岐比で、通過する前記光の一部を分岐する遅延干渉計を有する。
本願が開示する光デバイス等の１つの態様によれば、安定した分岐比を確保できる。
図１は、本実施例の光通信装置の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、実施例１の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。 図３は、タップカプラの構成の一例を示す平面模式図である。 図４は、第１のＤＣ変調部の一例を示す略断面図である。 図５は、実施例２のタップカプラの構成の一例を示す平面模式図である。 図６は、実施例３のタップカプラの構成の一例を示す平面模式図である。 図７は、実施例４の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。 図８は、実施例５のタップカプラの構成の一例を示す平面模式図である。 図９は、従来のＤＣ変調部の一例を示す略断面図である。 図１０は、従来のＤＣ変調部の一例を示す略断面図である。
以下、本願が開示する光デバイス等の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図１は、実施例１の光通信装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す光通信装置１は、出力側の光ファイバ２Ａ（２）及び入力側の光ファイバ２Ｂ（２）と接続する。光通信装置１は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）３と、光源４と、光変調器５と、光受信器６とを有する。ＤＳＰ３は、デジタル信号処理を実行する電気部品である。ＤＳＰ３は、例えば、送信データの符号化等の処理を実行し、送信データを含む電気信号を生成し、生成した電気信号を光変調器５に出力する。また、ＤＳＰ３は、受信データを含む電気信号を光受信器６から取得し、取得した電気信号の復号等の処理を実行して受信データを得る。
光源４は、例えば、レーザダイオード等を備え、所定の波長の光を発生させて光変調器５及び光受信器６へ供給する。光変調器５は、ＤＳＰ３から出力される電気信号によって、光源４から供給される光を変調し、得られた光送信信号を光ファイバ２Ａに出力する光デバイスである。光変調器５は、例えば、ＬＮ（Lithium Niobate：ニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ３）光導波路と変調部とを備えるＬＮ光変調器等の光デバイスである。ＬＮ導波路は、ＬＮ結晶の基板で形成される。光変調器５は、光源４から供給される光がＬＮ導波路を伝搬する際に、この光を変調部へ入力される電気信号によって変調することで、光送信信号を生成する。
光受信器６は、光ファイバ２Ｂから光信号を受信し、光源４から供給される光を用いて受信光信号を復調する。そして、光受信器６は、復調した受信光信号を電気信号に変換し、変換後の電気信号をＤＳＰ３に出力する。
図２は、実施例１の光変調器５の構成の一例を示す平面模式図である。図２に示す光変調器５は、入力側に光源４からの光ファイバ４Ａを接続し、出力側に送信信号送出用の光ファイバ２Ａを接続する。光変調器５は、入力部１１と、変調部１２と、出力部１３と、電極１４と、ＲＦ入力部１５と、ＲＦ終端部１６とを有する。
入力部１１は、光ファイバ４Ａと接続する１本のＬＮ導波路１１Ａと、第１の分岐部１１Ｂとを有する。ＬＮ導波路１１Ａは、光ファイバ４Ａと接続する１本のＬＮ導波路である。第１の分岐部１１Ｂは、ＬＮ導波路１１Ａと変調部１２内のＬＮ導波路２１Ａとの間を光結合し、ＬＮ導波路１１Ａからの光を１：１で光分岐する。
変調部１２は、第１の往路部２１と、第１の折り返し部２２と、第１の復路部２３と、第２の折り返し部２４と、第２の往路部２５と、第３の折り返し部２６と、第２の復路部２７と、を有する。
第１の往路部２１は、入力部１１と第１の折り返し部２２とを光結合する部位である。第１の往路部２１は、２本のＬＮ導波路２１Ａと、２個の第２の分岐部２１Ｂと、４本のＬＮ導波路２１Ｃと、４個の第３の分岐部２１Ｄと、８本のＬＮ導波路２１Ｅと、４個の第１のＤＣ（Direct Current）変調部２１Ｆとを有する。ＬＮ導波路２１Ａは、入力部１１内の第１の分岐部１１Ｂと第２の分岐部２１Ｂとの間を光結合するＬＮ導波路である。第２の分岐部２１Ｂは、１本のＬＮ導波路２１Ａと２本のＬＮ導波路２１Ｃとの間を光結合し、ＬＮ導波路２１Ａからの光を１：１で光分岐する。ＬＮ導波路２１Ｃは、第２の分岐部２１Ｂと第３の分岐部２１Ｄとの間を光結合するＬＮ導波路である。第３の分岐部２１Ｄは、ＬＮ導波路２１Ｃと２本のＬＮ導波路２１Ｅとの間を光結合し、ＬＮ導波路２１Ｃからの光を１：１で光分岐する。
第１のＤＣ変調部２１Ｆは、子側ＭＺ（Mach-Zehnder）干渉計で構成する。第１のＤＣ変調部２１Ｆは、２本のＬＮ導波路２１Ｅと、電極１４とを有する。電極１４は、第１のＤＣ信号電極１４Ａ１と、一対の第１のＤＣ接地電極１４Ｂ１とを有する。尚、ＬＮ導波路２１Ｅは、例えば、薄膜ＬＮ基板５３を用いて形成されるリブ型の光導波路である。薄膜ＬＮ基板５３は、ＬＮ結晶の結晶軸のＺ方向で自発分極を有するため、薄膜ＬＮ結晶内に内部電界を有することになる。ＬＮ導波路２１Ｃの光伝播方向は、薄膜ＬＮ結晶のＹ軸方向である。第１のＤＣ変調部２１Ｆは、電極１４から各ＬＮ導波路２１Ｅへの電圧印加に応じて各ＬＮ導波路２１Ｅ内に電界を発生させ、電界に応じて各ＬＮ導波路２１Ｅの屈折率を調整する。更に、第１のＤＣ変調部２１Ｆは、各ＬＮ導波路２１Ｅの屈折率の調整に応じて各ＬＮ導波路２１Ｅを通過する光の位相を調整し、光の位相差に応じて光を変調する。
第１の折り返し部２２は、第１の往路部２１と第１の復路部２３とを光結合する部位である。第１の折り返し部２２は、８本のＬＮ導波路２２Ａを有する。尚、ＬＮ導波路２２Ａの光伝播方向は、薄膜ＬＮ結晶の略Ｚ軸方向である。
第１の復路部２３は、第１の折り返し部２２と第２の折り返し部２４とを光結合する部位である。第１の復路部２３は、８本のＬＮ導波路２３Ａと、４個のＲＦ（Radio Frequency）変調部２３Ｂとを有する。
ＲＦ変調部２３Ｂは、２本のＬＮ導波路２３Ａと、電極１４とを有する。電極１４は、ＲＦ信号電極１４Ａ２と、一対のＲＦ接地電極１４Ｂ２とを有する。尚、ＬＮ導波路２３Ａは、例えば、薄膜ＬＮ基板５３を用いて形成されるリブ型の光導波路である。薄膜ＬＮ基板５３は、ＬＮ結晶の結晶軸のＺ方向で自発分極を有するため、薄膜ＬＮ結晶内に内部電界を有することになる。ＬＮ導波路２３Ａの光伝播方向は、薄膜ＬＮ結晶のＹ軸方向である。ＲＦ変調部２３Ｂは、電極１４から各ＬＮ導波路２３Ａへの電圧印加に応じて各ＬＮ導波路２３Ａ内に電界を発生させ、電界に応じて各ＬＮ導波路２３Ａの屈折率を調整する。更に、ＲＦ変調部２３Ｂは、各ＬＮ導波路２３Ａの屈折率の調整に応じて各ＬＮ導波路２３Ａを通過する光の位相を調整し、光の位相差に応じて光を変調する。
ＲＦ入力部１５は、ＲＦ変調部２３Ｂ内のＲＦ信号電極１４Ａ２と接続し、ＲＦ信号電極１４Ａ２に電圧（高周波信号）を印加する。ＲＦ終端部１６は、ＲＦ変調部２３Ｂ内のＲＦ接地電極１４Ｂ２と接続し、ＲＦ信号電極１４Ａ２の終端に接続され、ＲＦ信号電極１４Ａ２によって伝送される高周波信号の不要な反射を防止する。
第２の折り返し部２４は、第１の復路部２３と第２の往路部２５とを光結合する部位である。第２の折り返し部２４は、８本のＬＮ導波路２４Ａを有する。尚、ＬＮ導波路２４Ａの光伝播方向は、薄膜ＬＮ結晶の略Ｚ軸方向である。
第２の往路部２５は、第２の折り返し部２４と第３の折り返し部２６とを光結合する部位である。第２の往路部２５は、４個の第１の合波部２５Ａと、４本のＬＮ導波路２５Ｂと、２個の第２のＤＣ（Direct Current）変調部２５Ｃと、２個の第２の合波部２５Ｄとを有する。第１の合波部２５Ａは、２本のＬＮ導波路２４Ａと１本のＬＮ導波路２５Ｂとの間を光結合し、ＬＮ導波路２４Ａからの光を合波する。
第２のＤＣ変調部２５Ｃは、親側ＭＺ（Mach-Zehnder）干渉計で構成する。第２のＤＣ変調部２５Ｃは、２本のＬＮ導波路２５Ｂと、電極１４とを有する。電極１４は、第２のＤＣ信号電極１４Ａ３と、一対の第２のＤＣ接地電極１４Ｂ３とを有する。尚、ＬＮ導波路２５Ｂは、例えば、薄膜ＬＮ基板５３を用いて形成されるリブ型の光導波路である。薄膜ＬＮ基板５３は、ＬＮ結晶の結晶軸のＺ方向で自発分極を有するため、薄膜ＬＮ結晶内に内部電界を有することになる。ＬＮ導波路２５Ｂの光伝播方向は、薄膜ＬＮ結晶のＹ軸方向である。第２のＤＣ変調部２５Ｃは、電極１４から各ＬＮ導波路２５Ｂへの電圧印加に応じて各ＬＮ導波路２５Ｂ内の電界を発生させ、電界に応じて各ＬＮ導波路２５Ｂの屈折率を調整する。更に、第２のＤＣ変調部２５Ｃは、各ＬＮ導波路２５Ｂの屈折率の調整に応じて各ＬＮ導波路２５Ｂを通過する光の位相を調整し、光の位相差に応じて光を変調する。第２の合波部２５Ｄは、２本のＬＮ導波路２５Ｂと１本のＬＮ導波路２６Ａとの間を光結合し、各ＬＮ導波路２５Ｂからの光を合波する。
第３の折り返し部２６は、第２の往路部２５と第２の復路部２７とを光結合する部位である。第３の折り返し部２６は、２本のＬＮ導波路２６Ａを有する。尚、ＬＮ導波路２６Ａの光伝播方向は、薄膜ＬＮ結晶の略Ｚ軸方向である。ＬＮ導波路２６Ａは、第２の往路部２５内の第２の合波部２５Ｄと第２の復路部２７内のＬＮ導波路２７Ａとの間を光結合する導波路である。
第２の復路部２７は、第３の折り返し部２６と出力部１３とを光結合する部位である。第２の復路部２７は、２本のＬＮ導波路２７Ａを有する。尚、ＬＮ導波路２７Ａの光伝播方向は、薄膜ＬＮ結晶のＹ軸方向である。ＬＮ導波路２７Ａは、第３の折り返し部２６内のＬＮ導波路２６Ａと出力部１３との間を光結合する導波路である。
出力部１３は、２本のＬＮ導波路１３Ａと、ＰＲ（Polarization Rotator）１３Ｂと、ＰＢＣ（Polarization Beam Combiner：偏波ビームコンバイナ）１３Ｃとを有する。ＰＲ１３Ｂは、一方の第２のＤＣ変調部２５Ｃから入力したＩ信号若しくはＱ信号を９０度回転して９０度回転後の垂直偏波の光信号を得る。そして、ＰＲ１３Ｂは、垂直偏波の光信号をＰＢＣ１３Ｃに入力する。ＰＢＣ１３Ｃは、ＰＲ１３Ｂからの垂直偏波の光信号と、他方の第２のＤＣ変調部２５Ｃから入力した水平偏波の光信号とを合波して偏波多重信号を出力する。
第２の復路部２７内のＬＮ導波路２７Ａと出力部１３内のＬＮ導波路１３Ａとの間にタップカプラ３０を配置する。タップカプラ３０は、ＬＮ導波路２７ＡとＬＮ導波路１３Ａとの間に配置し、ＬＮ導波路２７Ａから入力した光の一部をモニタ光として出力すると共に、残りの光を出力部１３内のＬＮ導波路１３Ａに出力する。タップカプラ３０は、ＬＮ導波路２７Ａからタップカプラ３０内を通過する光の位相差に応じた分岐比で、ＬＮ導波路２７Ａ内を通過する光の一部を分岐する遅延干渉計３００を有する。
図３は、タップカプラ３０の構成の一例を示す平面模式図である。図３に示すタップカプラ３０の遅延干渉計３００は、第１のカプラ３１と、第２のカプラ３２と、第１のカプラ３１と第２のカプラ３２との間を光結合する第１の導波路３３及び第２の導波路３４と、モニタ３５とを有する。
第１のカプラ３１は、ＬＮ導波路２７Ａからの光を入力し、入力した光を第１の導波路３３及び第２の導波路３４に分岐出力するＭＭＩ（Multi Mode Interference）カプラである。尚、カプラは、例えば、方向性結合カプラと、ＭＭＩカプラとの２種類がある。方向性結合カプラの分岐比は、導波路の幅の依存性が高く、導波路の幅の製造誤差で分岐比が変化してしまう。これに対して、ＭＭＩカプラの分岐比は、導波路の幅の依存性が低く、導波路の幅に製造誤差が生じた場合でも分岐比の変動は小さくて済む。従って、第１のカプラ３１はＭＭＩカプラを採用した。第１のカプラ３１は、２入力及び２出力のＭＭＩカプラである。
第１の導波路３３は、薄膜ＬＮ基板５３で形成され、第１のカプラ３１から分岐した一方の光を第２のカプラ３２に入力する導波路である。第２の導波路３４は、薄膜ＬＮ基板５３で形成され、第１のカプラ３１から分岐した他方の光を第２のカプラ３２に入力する導波路である。第２の導波路３４は、第１の導波路３３に比較して光学長を長くして遅延部を構成することになる。例えば、第２の導波路３４は、第１の導波路３３の光の伝播方向（結晶軸のＹ軸方向）と異なる光の伝播方向（結晶軸の略Ｚ軸方向）の部分を含む曲線状の導波路である。つまり、第２の導波路３４は、例えば、第１の導波路３３の導波路長に比較して長くした。その結果、第１の導波路３３の通過する一方の光と第２の導波路３４を通過する他方の光との間に位相差が生じることになる。
第２のカプラ３２は、第１の導波路３３から入力した一方の光と、第２の導波路３４から入力した他方の光とを合波し、合波後の位相差のある光を当該位相差に応じた分岐比で分岐する。第２のカプラ３２は、合波した光の一部をモニタ光としてモニタ３５に出力すると共に、残りの光をＬＮ導波路１３Ａに出力する。第２のカプラ３２は、ＭＭＩカプラである。モニタ３５は、第２のカプラ３２で分岐したモニタ光を受光し、モニタ光の光強度をモニタ結果としてＤＳＰ３に出力する。ＤＳＰ３は、モニタ３５のモニタ結果に基づき、第１のＤＣ変調部１２Ｆ、ＲＦ変調部２３Ｂ及び第２のＤＣ変調部２５Ｃに印加する駆動電圧を調整する。
次に、実施例１の光変調器５の構成について、具体的に説明する。図４は、第１のＤＣ変調部２１Ｆの一例を示す略断面図である。尚、説明の便宜上、図２に示す第１のＤＣ変調部２１Ｆは４個のＭＺ干渉計で構成する場合を例示したが、図４の略断面図では１個のＭＺ干渉計で説明する。また、第２のＤＣ変調部２５Ｃも、２個のＭＺ干渉計で構成する場合を例示したが、ＭＺ干渉計単位では、第１のＤＣ変調部２１Ｆと同一の構成であるため、同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図４に示す第１のＤＣ変調部２１Ｆは、支持基板５１と、支持基板５１上に積層された中間層５２とを有する。更に、第１のＤＣ変調部２１Ｆは、中間層５２に積層された、薄膜ＬＮ結晶の薄膜ＬＮ基板５３と、薄膜ＬＮ基板５３上に積層されたバッファ層５４と、電極とを有する。電極１４は、第１のＤＣ信号電極１４Ａ１及び一対の第１のＤＣ接地電極１４Ｂ１を有する。
支持基板５１は、例えば、Ｓｉ又はＬＮ等の基板である。中間層５２は、例えば、ＳｉＯ2又はＴｉＯ2等の屈折率がＬＮに比較して低い透明材からなる層である。同様に、バッファ層５４は、例えば、ＳｉＯ2又はＴｉＯ2等の屈折率がＬＮに比較して低い透明材からなる層である。
薄膜ＬＮ基板５３は、上方へ突起する突条の薄膜光導波路６０である。薄膜光導波路６０は、第１のＤＣ変調部２１ＦのＬＮ導波路２１Ｅである。薄膜光導波路６０は、リブ６０Ａと、リブ６０Ａの両脇にあるスラブ６０Ｂとを有するリブ型の光導波路である。リブ６０Ａは、リブ６０Ａの上面と、リブ６０Ａの側壁面とを有する。尚、薄膜光導波路６０は、例えば、ＬＮ導波路１１Ａ、２１Ａ、２１Ｃ、２１Ｅ、２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ、２５Ｂ、２６Ａ、２７Ａ、１３Ａ等である。そして、薄膜光導波路６０がバッファ層５４によって被覆されている。バッファ層５４は、薄膜光導波路６０を伝搬する光が電極１４で吸収されるのを防ぐために設けられる。
バッファ層５４は、薄膜光導波路６０のリブ６０Ａの上面を被覆すると共に、薄膜光導波路６０のスラブ６０Ｂを被覆する。第１のＤＣ信号電極１４Ａ１及び一対の第１のＤＣ接地電極１４Ｂ１は、バッファ層５４上に配置されることになる。
第１のＤＣ信号電極１４Ａ１と第１のＤＣ接地電極１４Ｂ１との間に位置する薄膜光導波路６０は、薄膜光導波路６０内のリブ６０Ａである。第１のＤＣ信号電極１４Ａ１及び第１のＤＣ接地電極１４Ｂ１が位置する薄膜光導波路６０は、薄膜光導波路６０内のスラブ６０Ｂである。
中間層５２とバッファ層５４との間には、厚みが０．５～３μｍの薄膜ＬＮ基板５３の薄膜光導波路６０が挟まれている。薄膜光導波路６０となるリブ６０Ａの幅は、例えば、１～８μｍ程度である。
第１のＤＣ信号電極１４Ａ１は、例えば、金や銅等の金属材料からなり、幅が２～１０μｍ、厚みが１～２０μｍの電極である。第１のＤＣ接地電極１４Ｂ１は、例えば、金や銅等の金属材料からなり、厚みが１μｍ以上の電極である。ＤＳＰ３から出力される電気信号に応じたバイアス電圧が第１のＤＣ信号電極１４Ａ１に印加することで、第１のＤＣ信号電極１４Ａ１から第１のＤＣ接地電極１４Ｂ１へ向かう方向の電界が発生し、この電界が薄膜光導波路６０に印加される。その結果、薄膜光導波路６０への電界印加に応じて薄膜光導波路６０の屈折率が変化し、薄膜光導波路６０を伝搬する光を変調することが可能となる。
タップカプラ３０内の第１のカプラ３１は、薄膜光導波路６０からの光を第１の導波路３３及び第２の導波路３４に分岐する。第２のカプラ３２は、第１の導波路３３からの一方の光と、第２の導波路３４からの他方の光とを合波し、位相差に応じた分岐比で合波後の光を分岐し、モニタ光をモニタ３５に出力すると共に、残りの光を薄膜光導波路６０（ＬＮ導波路１３Ａ）に出力する。
モニタ３５は、第２のカプラ３２からの分岐比に応じたモニタ光を受光し、モニタ光の光強度に応じて第１のＤＣ変調部２１Ｆ、第２のＤＣ変調部２５Ｃ、ＲＦ変調部２３Ｂの駆動電圧を調整する。
実施例１のタップカプラ３０は、第１のカプラ３１と第２のカプラ３２との間に第１の導波路３３及び第２の導波路３４を配置し、第１の導波路３３と第２の導波路３４との光学長差に応じて光の位相差が生じ、その位相差に応じた分岐比を設定する。つまり、タップカプラ３０の分岐比は第１の導波路３３と第２の導波路３４との間の光学長の差で決まるため、従来技術のような導波路の幅の製造誤差による影響を受けにくい。その結果、光の閉じ込めの強い薄膜光導波路６０であって、タップカプラ３０内の導波路幅の製造誤差があった場合でも、タップカプラ３０の分岐比を安定化できる。
タップカプラ３０は、薄膜光導波路６０からタップカプラ３０内部を通過する光の位相差に応じた分岐比で、通過する光の一部を分岐する遅延干渉計３００を有する。その結果、光の閉じ込めの強い薄膜光導波路６０であって、タップカプラ３０内の導波路幅の製造誤差があった場合でも、タップカプラ３０の分岐比を安定化できる。
遅延干渉計３００内の第２のカプラ３２は、第１の導波路３３からの一方の光と、第２の導波路３４からの他方の光とを合波し、合波後の位相差のある光を当該位相差に応じた分岐比で分岐する。その結果、タップカプラ３０の分岐比を安定化できる。
また、タップカプラ３０の第１のカプラ３１及び第２のカプラ３２はＭＭＩカプラを採用したので、導波路の幅に製造誤差が生じた場合でも分岐比の変動を小さくできる。
尚、実施例１のタップカプラ３０では、第１の導波路３３及び第２の導波路３４を通過する光の位相差を調整すべく、第１の導波路３３及び第２の導波路３４の光学長を変える場合を例示した。そして、第１の導波路３３及び第２の導波路３４の光学長を変える方法として、第２の導波路３４の導波路長を第１の導波路３３の導波路長に比較して長くして曲線状にする場合を例示した。しかしながら、曲線状に限定されるものではなく、第２の導波路３４の導波路長を第１の導波路３３に比較して長くすればよく、適宜変更可能である。
また、タップカプラ３０は、２本の導波路３３，３４の長さに差をつけることで分岐比を設定する場合を例示したが、例えば、導波路３３，３４の長さではなく、導波路に印加する駆動電圧を調整して位相差を変えて分岐比を設定しても良く、適宜変更可能である。
尚、実施例１のタップカプラ３０内の第１のカプラ３１は、２入力及び２出力のＭＭＩカプラを例示したが、１入力及び２出力のＭＭＩカプラでもよく、その実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。
図５は、実施例２のタップカプラ３０Ａの構成の一例を示す平面模式図である。尚、実施例１の光通信装置１と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図５に示すタップカプラ３０Ａと図３に示すタップカプラ３０とが異なるところは、２入力×２出力の第１のカプラ３１の代わりに、１入力及び２入力の第１のカプラ３１Ａを使用した点にある。
１入力及び２出力の第１のカプラ３１Ａの導波路長のサイズは、２入力及び２出力の第１のカプラ３１に比較して物理的に短い。第１のカプラ３１の入力は、薄膜光導波路６０と光結合し、薄膜光導波路６０からの光を第１の導波路３３及び第２の導波路３４に分岐する。
実施例２のタップカプラ３０Ａは、２入力×２出力の第１のカプラ３１の代わりに、１入力及び２出力の第１のカプラ３１Ａを使用したので、実施例１のタップカプラ３０に比較して光伝播方向のサイズを小型化できる。その結果、光通信装置１の小型化に貢献できる。
尚、実施例１のタップカプラ３０では、第１のカプラ３１と第２のカプラ３２との間を接続する第２の導波路３４が遅延部を構成すべく曲線状にする場合を例示した。しかしながら、第２の導波路３４の形状を曲線状にした場合、曲線状の第２の導波路３４の電界の向きが結晶軸のＺ軸方向からそれるため、自発分極の内部電界の向き（Ｚ軸方向）と遅延干渉計３００の第２の導波路３４内の電界の向きとが異なる。自発分極の内部電界の向き（Ｚ軸方向）と遅延干渉計３００の第２の導波路３４内の電界の向きとを同一にするタップカプラ３０の実施の形態につき、実施例３として以下に説明する。
図６は、実施例３のタップカプラ３０Ｂの構成の一例を示す平面模式図である。図６に示すタップカプラ３０Ｂと図５に示すタップカプラ３０Ａとが異なるところは、第２の導波路３４Ａの電界の向きが第１の導波路３３の電界の向きと同じく、結晶軸のＺ軸方向になるように直線状にした点にある。第２の導波路３４Ａの幅は、第１の導波路３３の幅に比較して細くしたので、光学長差が生じる。
第２の導波路３４Ａの電界の向きは、第１の導波路３３の電界の向き及び自発分極の内部電界の向きと同一のＺ軸方向となるため、第１の導波路３３及び第２の導波路３４Ａの屈折率が安定する。その結果、第１の導波路３３及び第２の導波路３４Ａの電界の向きが同一のＺ軸方向とした場合でも、タップカプラ３０の分岐比を安定化できる。
実施例３のタップカプラ３０Ｂは、第１の導波路３３及び第２の導波路３４Ａの電界の向きが結晶軸のＺ軸方向になるように直線状にし、第１の導波路３３の幅に比較して第２の導波路３４Ａの幅を細くした。その結果、第１の導波路３３及び第２の導波路３４Ａの電界の向きを同一のＺ軸方向にした場合でも、導波路内の電界が安定化して分岐比を安定化できる。
尚、実施例１では、タップカプラ３０内の第１の導波路３３と第１のＤＣ変調部２１Ｆ内の薄膜光導波路６０との光伝播方向が同一であるため、温度変化時にタップカプラ３０が不安定になる。薄膜ＬＮ基板５３のＬＮ結晶は異方性を有し、Ｚ軸方向の電気光学効果がＸ、Ｙ方向に比較して大きい。従って、第１のＤＣ変調部２１Ｆでは変調効率を上げるためにＺ軸方向に電界を印加し、薄膜光導波路６０の光伝播方向はＹ方向にしている。
一方で、ＬＮ結晶の温度が変化した場合、Ｚ軸方向の自発分極が変化するため、タップカプラ３０の第１の導波路３３及び第２の導波路３４内の電界が変化し、第１の導波路３３及び第２の導波路３４の屈折率が変化してしまう。その結果、タップカプラ３０を構成する２本の第１の導波路３３及び第２の導波路３４の光学長差が変化し、タップカプラ３０の分岐比が変化してしまう。例えば、導波路の長さをＬ、導波路の屈折率をＮとした場合、光学長はＮ×Ｌで算出できる。従って、タップカプラ３０内の第１の導波路３３及び第２の導波路３４の長さＮは異なるため、第１の導波路３３及び第２の導波路３４の光学長も異なることになる。従って、温度変化が発生した場合には、第１の導波路３３及び第２の導波路３４に光学長差が生じ、タップカプラ３０の分岐比も変化してしまうことになる。
そこで、このような事態に対処すべく、第１のＤＣ変調部２１Ｆの薄膜光導波路６０の光伝播方向（Ｙ方向）がタップカプラ３０の第１の導波路３３及び第２の導波路３４の光伝播方向（Ｚ方向）と略直交するようにタップカプラ３０Ｃを配置しても良い。その実施の形態につき、実施例４として以下に説明する。
図７は、実施例４の光変調器５の構成の一例を示す平面模式図である。図７に示す光変調器５と図２に示す光変調器５とが異なるところは、タップカプラ３０Ｃの光伝播方向が第１のＤＣ変調部２１Ｆの光伝播方向（Ｙ方向）と略直交する、例えば、薄膜ＬＮ結晶のＺ軸方向に向くようにタップカプラ３０Ｃを配置した点にある。タップカプラ３０Ｃは、第１のカプラ３１Ｃと、第２のカプラ３２Ｃと、第１の導波路３３Ｃと、第２の導波路３４Ｃと、モニタ３５Ｃとを有する。
第１のカプラ３１Ｃは、ＬＮ導波路２７Ａと光結合し、光伝播方向が結晶軸のＺ軸方向に向くように配置されている。第２のカプラ３２Ｃも、ＬＮ導波路１３Ａと光結合し、光伝播方向が結晶軸のＺ軸方向に向くように配置されている。更に、第１の導波路３３Ｃは、第１のカプラ３１Ｃと第２のカプラ３２Ｃとの間を光結合し、光伝播方向が結晶軸のＺ軸方向に向くように配置されている。第２の導波路３４Ｃも、第１のカプラ３１Ｃと第２のカプラ３２Ｃとの間を光結合し、光伝播方向が結晶軸のＺ軸方向に向くように配置されている。
第１のＤＣ変調部２１Ｆの薄膜光導波路６０の向き、すなわち光伝播方向をＹ方向とした場合、第１のＤＣ変調部２１Ｆの薄膜光導波路６０内の電界方向はＺ方向となる。これに対して、タップカプラ３０Ｃの第１の導波路３３Ｃの向き、すなわち第１の導波路３３Ｃの光伝播方向をＺ方向とした場合、タップカプラ３０Ｃの第１の導波路３３Ｃ内の電界方向はＹ方向となる。しかも、薄膜ＬＮ結晶の自発分極の内部電界の向きはＺ方向であるため、タップカプラ３０Ｃの電界方向（Ｙ方向）と異なる。その結果、温度変化が発生した場合でも、自発分極の内部電界による第１の導波路３３Ｃ及び第２の導波路３４Ｃの屈折率変化が小さくなるため、遅延干渉計３００を使用したタップカプラ３０Ｃの分岐比を安定化できる。
薄膜光導波路６０を伝播する光のモードには、ＴＥモードとＴＭモードとがあるが、第１のＤＣ変調器２１Ｆで変調する光のモードはＴＥモードである。Ｙ方向に伝播するＴＥモードの電界の向きはＺ方向であり、Ｚ方向は温度が変化した場合の屈折率の変化が大きくなる。一方、Ｚ方向に伝播するＴＥモードの電界の向きはＹ方向であり、Ｙ方向は温度が変化した場合の屈折率の変化が小さくなる。従って、タップカプラ３０の光伝播方向をＺ方向にした場合、温度変化時の屈折率の変化が小さくなり、タップカプラ３０の分岐比を安定化できる。
尚、実施例１のタップカプラ３０は、第１のカプラ３１、第２のカプラ３２、第１の導波路３３及び第２の導波路３４の光伝播方向を同一にして配置する場合を例示した。しかしながら、タップカプラ３０内の第１の導波路３３は、第１のカプラ３１及び第２のカプラ３２の光伝播方向と略直交する方向に配置しても良く、その実施の形態につき、実施例５として以下に説明する。
図８は、実施例５のタップカプラ３０Ｄの構成の一例を示す平面模式図である。図８に示すタップカプラ３０Ｄの特徴は、第１の導波路３３Ｄ及び第２の導波路３４Ｄの光伝播方向が第１のカプラ３１Ｄ及び第２のカプラ３２Ｄの光伝播方向と略直交するように第１の導波路３３Ｄ及び第２の導波路３４Ｄを配置した点にある。タップカプラ３０Ｄは、第１のカプラ３１Ｄと、第２のカプラ３２Ｄと、第１の導波路３３Ｄと、第２の導波路３４Ｄと、モニタ３５Ｄとを有する。
第１のカプラ３１Ｄは、ＬＮ導波路２７Ａと光結合し、光伝播方向が結晶軸のＹ軸方向に向くように配置されている。第２のカプラ３２Ｄも、ＬＮ導波路１３Ａと光結合し、光伝播方向が結晶軸のＹ軸方向に向くように配置されている。更に、第１の導波路３３Ｄは、第１のカプラ３１Ｄと第２のカプラ３２Ｄとの間を光結合し、光伝播方向が結晶軸のＺ軸方向に向くように配置されている。第２の導波路３４Ｄも、第１のカプラ３１Ｄと第２のカプラ３２Ｄとの間を光結合し、光伝播方向が結晶軸のＺ軸方向に向くように配置されている。
実施例５のタップカプラ３０Ｄでは、第１のカプラ３１Ｄ及び第２のカプラ３２Ｄの光伝播方向をＹ軸方向、第１の導波路３３Ｄ及び第２の導波路３４Ｄの光伝播方向をＺ軸方向となるように第１のカプラ３１Ｄ、第２のカプラ３２Ｄ、第１の導波路３３Ｄ及び第２の導波路３４Ｄを配置した。その結果、第１のカプラ３１Ｄ及び第２のカプラ３２Ｄの光伝播方向をＹ軸方向にした場合でのタップカプラ３０ＤのＹ軸方向のサイズを短縮化できる。
尚、実施例５のタップカプラ５０Ｄでは、第１のカプラ３１Ｄ及び第２のカプラ３２Ｄの光伝播方向をＹ軸方向、第１の導波路３３Ｄ及び第２の導波路３４Ｄの光伝播方向をＺ軸方向となる場合を例示した。しかしながら、第１のカプラ３１Ｄ及び第２のカプラ３２Ｄの光伝播方向をＺ軸方向、第１の導波路３３Ｄ及び第２の導波路３４Ｄの光伝播方向をＹ軸方向となるように第１のカプラ３１Ｄ、第２のカプラ３２Ｄ、第１の導波路３３Ｄ及び第２の導波路３４Ｄを配置しても良く、適宜変更可能である。
また、ＬＮ導波路は、リブ型導波路を例示したが、リブ型導波路に限定されるものではなく、例えば、チャネル型導波路やハイメサ導波路等にも適用可能である。
１ 光通信装置
３ ＤＳＰ
４ 光源
５ 光変調器
１４ 電極
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ タップカプラ
３１ 第１のカプラ
３２ 第２のカプラ
３３ 第１の導波路
３４ 第２の導波路
３５ モニタ
６０ 薄膜光導波路
３００ 遅延干渉計

Claims (11)

  1. 薄膜ＬＮ（Lithium Niobate）基板で形成され、光が通過する光導波路と、前記光導波路に電圧を印加する電極と、を有し、前記電圧に応じた前記光導波路内の電界に応じて通過する前記光の位相を変調する変調器と、
    前記薄膜ＬＮ基板で少なくとも一部が形成され、前記光導波路内を通過する前記光の一部を分岐するタップカプラと、
    を有し、
    前記タップカプラは、
    前記光導波路から前記タップカプラ内部を通過する前記光の位相差に応じた分岐比で、通過する前記光の一部を分岐する遅延干渉計を有することを特徴とする光デバイス。
  2. 前記遅延干渉計は、
    前記光導波路からの前記光を入力し、入力した前記光を分岐する第１のカプラと、
    前記薄膜ＬＮ基板で形成され、前記第１のカプラから分岐した一方の光を通過させる第１の導波路と、
    前記薄膜ＬＮ基板で形成され、前記第１のカプラから分岐した他方の光を通過させ、前記第１の導波路に比較して光出力を遅延させる第２の導波路と、
    前記第１の導波路からの前記一方の光と、前記第２の導波路からの前記他方の光とを合波し、合波後の位相差のある光を当該位相差に応じた分岐比で分岐する第２のカプラと、
    を有することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
  3. 前記第１の導波路は、
    前記第２の導波路の光学長と異なる光学長を有することを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
  4. 前記第１の導波路は、
    前記第２の導波路の導波路長と異なる導波路長を有することを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。
  5. 前記第２の導波路は、
    前記第１の導波路の前記光の伝播方向と異なる伝播方向の部分を含む曲線状の導波路であることを特徴とする請求項２又は３に記載の光デバイス。
  6. 前記第２の導波路が、前記第１の導波路の前記光の伝播方向と同一方向で、かつ、前記第１の導波路の幅と異なるようにした状態で、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が前記薄膜ＬＮ基板で形成されたことを特徴とする請求項２又は３に記載の光デバイス。
  7. 前記第１の導波路の前記光の伝播方向が前記光導波路の前記光の伝播方向に対して略直交する方向に向くように、前記タップカプラが配置されたことを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
  8. 前記光導波路の前記光の伝播方向が前記薄膜ＬＮ基板のＬＮ結晶のＺ軸方向である場合に、前記第１の導波路の前記光の伝播方向が前記ＬＮ結晶のＹ軸方向であることを特徴とする請求項７に記載の光デバイス。
  9. 前記第１のカプラ及び前記第２のカプラの前記光の伝播方向が前記第１の導波路及び前記第２の導波路の前記光の伝播方向と直交するように、前記第１のカプラ、前記第２のカプラ、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が配置されたことを特徴とする請求項２又は３に記載の光デバイス。
  10. 前記第１のカプラ及び前記第２のカプラは、
    ＭＭＩ（Multi Mode Interference）カプラであることを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
  11. 電気信号に対する信号処理を実行するプロセッサと、
    光を発生させる光源と、
    薄膜ＬＮ（Lithium Niobate）基板で形成され、前記光が通過する光導波路と、前記光導波路に電圧を印加する電極と、を有し、前記電圧に応じた前記光導波路内の電界に応じて通過する前記光の位相を変調する変調器と、
    前記薄膜ＬＮ基板で少なくとも一部が形成され、前記光導波路内を通過する前記光の一部を分岐するタップカプラと、
    を有し、
    前記タップカプラは、
    前記光導波路から前記タップカプラ内部を通過する前記光の位相差に応じた分岐比で、通過する前記光の一部を分岐する遅延干渉計を有することを特徴とする光通信装置。
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