JP4563107B2 - 光変調素子モジュール - Google Patents
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Description
具体的には、
(1)ファイバ被覆の劣化によるファイバ破断、
(2)構成部材をケースあるいは部材相互を接着固定している各種接着剤の熱的劣化による光挿入損の増大、
(3)ケースとファイバの線膨張差に起因するファイバ破断などの問題がある。
(4)動作点を設定するためにDC電圧を電極間に印加する必要があるが、該DC電圧によって内部電界が生じ、該内部電界が上記印加電圧の効果をキャンセルする方向に働くため、動作点を安定に保つためにはより大きなDC電圧を印加しなければならない(DCドリフト現象)。しかも、該DCドリフトは、印加電圧の大きさ、環境温度の高さに大きく影響を受け、初期のDC電圧が大きいほど、また高温度環境であるほど、印加DC電圧の上限値に達する時間が短くなる。該時間が動作寿命であり、動作条件に制限が生じることとなる。
(5)動作点は温度によってシフトする(温度ドリフト)ため、高温度の環境状態においては、動作条件が制限されることとなる。
また、請求項2に係る発明のように、該キャピラリは、外径を1.25mm以上とすることで、光変調素子とファイバとの接続が外れる不具合をより一層防止することが可能となる。
以下では、光変調素子として、LiNbO3結晶(以下、LNという)を用いた表面導波路素子であるLN光変調素子を中心に説明するが、これに限らず他の電気光学効果を有する基板を利用した表面導波路素子であっても良く、さらには、ファイバを介してケースの内外と光を送受するパッシブなモジュールにおいても同様な効果が得られる。
構成部材としては、ケース11、光変調素子4に相当するLNチップ12、光ファイバ5の出射端部を構成する入力ファイバ13、光ファイバ6の入射端部を構成する出力ファイバ14、各ファイバをチップ12に接続する際の補強材であるキャピラリ15,16、LNチップ端面の補強材である補強部材17,18、各ファイバを保護するため被覆材24,25、ケース11を気密封止するための蓋30などがある。また、図示されていないが、変調信号を入力するRF端子や、バイアス調整用電圧を入力するためのDC端子を備えている。
また、ケースに利用される材料の線膨張係数は、ファイバのそれに比べて1桁大きく、例えば、ケース11のSUSとファイバとの差異は1.55×10−5/deg.にもなる。
ファイバのせん断力は約6.5kgfであるため、図5のA,B,Cの各点でのファイバ破断は生じないが、問題はLNチップとの接着部分である。接続部28のせん断力は接着剤のせん断力に接着面積を掛けた値であり、前記バット接続用の高いTgを有する光学接着剤として、せん断力180kgf/cm2を用いた場合には、安全係数を2として、キャピラリ15として必要とされる直径は、図6の曲線39となる。つまり、図6は、あるファイバの長さ(横軸)におけるせん断力の2倍(安全係数)のせん断力を達成するために必要なキャピラリの外径(右縦軸)を示すものである。
LNチップ12,補強部材17の厚みはそれぞれ、0.5〜1.0mmであるため、キャピラリ16(15)の取り得る直径は1〜2mmとなる。
光変調素子モジュールの短縮化が市場から要求されており、上記ファイバ36の長さを出来るだけ短くする必要があるが、必要なキャピの直径、モジュールの組立時のアライメントの余裕などを総合的考慮すると、キャピ直径1.25mm、ファイバの実質長さ3mm以上が実用的な値といえる。
図7に、LNチップの構成を、X−cut基板(基板表面に平行な方向(図7の矢印Zの方向)に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸を有する基板)を例に示す。LNチップ12の表面に導波路40,41,42,44を形成する。該導波路の40,44はそれぞれ入力、出力導波路であり、41,42はマッハツェンダ(MZ)型導波路の各分岐導波路を示す。
分岐導波路41,42の近傍に電極53,54,55を形成し、電極53に変調信号であるRF信号を信号源47からコンデンサ46を介して印加し、分岐導波路41,42を伝播する光に対して相補駆動する構成としている。
入力ファイバ13から入力される光は入力導波路40に入り、Y分岐にて50:50に分岐して、分岐導波路41,42を伝播する。
DCドリフトによって変調曲線が印加電圧に対して横方向にシフトし、図8の点線曲線59のようになる。
温度に対して、DCドリフトは指数関数的に増大する様子を示している。使用最高温度を200℃以上とする場合には、特別に配慮すべき問題であり、初期bias点を0V近傍とするのが、特に好ましい。
図7において、分岐導波路41又は42(あるいは両方の分岐導波路)の後半の一部(図7の点線72より右側部分であり、電極53とはその長手方向において重ならない部分)において、導波路幅を広くするなど導波路の屈折率を大きくすることにより、分岐導波路41と42との間で伝播する光の位相差をπ/2シフトさせる。図7においては、高屈折率部を43で示す。その結果、動作曲線は図10の曲線64のように、初期の曲線56から右方向にシフトする。つまり、分岐導波路の屈折率と該屈折率を変化させる領域の長さを適切に設定することにより、クアッド点が0Vであるような曲線64が得られる。
なお、屈折率の変化は、上述したように屈折率を大きくするだけに限らず、屈折率を下げることにより行うことも可能である。また、上述したように各分岐導波路の長さは等しく構成することが好ましいが、クアッド動作点を調整するため、2つの分岐導波路の長さを互いに異なるよう設定することも可能である。
3 光源
4 光変調素子
7 センサ
8 データ変換器
9 光検出器
10 復調器
12 LNチップ
13,14 ファイバ
19 高弾性接着剤
20,21 ハンダ封止部
26,27,28,29 高Tg接着剤
43 高屈折率部
Claims (6)
- 光変調素子と、該光変調素子を内蔵するケースと、該光変調素子に接続されると共に該ケース外部に導出される入出力ファイバと、該光変調素子に印加する変調信号及びバイアス調整用電圧を導入するための端子とを有し、該ケースを気密封止した光変調素子モジュールにおいて、
該ケースは、線膨張係数が光変調素子とほぼ等しい材料を用い、該光変調素子と該ケースとの固定には、200℃以上で加熱硬化すると共に、動作温度範囲において強度を保ちかつ応力を吸収する熱可塑性と高弾性を備えた接着剤を利用し、
該ケースと該ファイバとを構成する各材料の線膨張差が、16×10−6/℃以下であり、該ファイバにおける該ケース及び該光変調素子との固定点間の距離が3mm以上であると共に、
該光変調素子と該ファイバとの接続は、バット接続で行い、キャピラリを補強部材とし、せん断力が180kgf/cm2以上の光学接着剤を利用することを特徴とする光変調素子モジュール。 - 請求項1に記載の光変調素子モジュールにおいて、該キャピラリは、外径が1.25mm以上であることを特徴とする光変調素子モジュール。
- 請求項1又は2に記載の光変調素子モジュールにおいて、該光学接着剤は、ガラス転移温度が230℃以上であることを特徴とする光変調器モジュール。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子のクアッド動作点が略0ボルトとなるよう、あるいは、任意の動作点が略0ボルトとなるように予め変調する動作点が調整されていることを特徴とする光変調素子モジュール。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該ファイバの被覆材をポリイミドで構成し、該ファイバと該ケースとの固定に、ファイバと光変調素子とを固着する接着剤のガラス転移温度より低いガラス転移温度を有する接着剤を利用することを特徴とする光変調器モジュール。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子は、LiNbO3結晶を用いた表面導波路素子であることを特徴とする光変調素子モジュール。
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