JP4911529B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、いわゆるマッハツェンダー型の光導波路を使用した光変調器に関するものである。

マッハツェンダー型の光導波路を使用した進行波型高速光変調器は波長帯域が広く、低チャープ特性が得られることから注目されている。このタイプの光変調器においては、一対の分岐型光導波路にそれぞれ光を伝搬させ、各分岐光導波路からの出力を合波部において合流させる。しかし、一対の分岐光導波路の間では、温度差などの原因によって動作点シフトが生ずることがあり、またいわゆるＤＣドリフトが生ずることがある。一般的に、マッハツェンダー（ＭＺ）型ＬＮ光変調器は、温度ドリフト、ＤＣドリフト、および応力などによる経時変化によって動作点がシフトしてしまう。これは消光比が劣化してしまい、変調器を動作させる上で重要な課題であった。

こうした動作点のシフトやＤＣドリフトを制御する方法は幾つか提案されている。代表的なものとして、特許文献１（特開平３−１４５６２３号公報）記載の方法では、一対の分岐光導波路の合波部から基板内部に放射される基板放射モードの光に着目している。即ち、オンモードの場合には、光導波路に入射した光は導波路内を伝搬し、導波路の端面から出射する。オフモードの光は、光導波路から基板内部に基板放射モードの光として放射される。基板の端面に光ファイバーを取り付けて基板放射モードの光を受光し、この光ファイバーからの出射光を光検知器によって検知する。光検知器からの出力信号を利用し、変調用電極から光導波路に印加される電圧の直流バイアスを変更し、光変調器の動作点を調節している。

しかし、この場合、出射端面において放射光は基板内部に拡散するために、放射光の光強度は小さく、また、光ファイバにて放射光をアライメントすることは非常に困難であった。このため、光変調器の動作点制御を安定して行うことが課題となっていた。

この問題を解決するために、特許文献２（特願平9-32489）においては、光導波路から放射されまたは漏洩する光をガイドする光ガイド部と、光ガイド部から出射される光と光導波路から漏洩する信号光とを干渉させて干渉光を生成し、この干渉光をモニタすることにより直流バイアスを制御している。

また、本出願人は、薄板構造の光変調器を開発しており、本構造において、ドリフトによる動作点制御を効率的に行う方法として特許文献３（特願２００２−３２８６８３）を開示した。20μｍ以下に薄板化した基板は、有限の横幅（基板の横方向の幅）を有したスラブ導波路（通常は、デバイス構造設計上、横幅は無限大として取り扱われる）として機能するために、Ｙ分岐の合波部で発生した横方向１次モード光はスラブモードとなり、低損失で薄板基板中を伝搬する。このスラブモード光は従来の変調器とは異なり、薄板基板中（スラブ導波路）に集中するために、十分な放射光強度を得ることが可能になった。

特開平３−１４５６２３号公報 特願平9-32489 特願２００２−３２８６８３

我々は、薄板型変調器の場合、Ｙ分岐の合波部で発生する放射光が光導波路の１次モード光として伝搬することを発見し、この１次モード光を利用することによりモニタし直流バイアスを制御することを試みた。しかし、1次モード光は、信号光に対してピーク間距離が１０μｍから１００μｍ以下となり、このために１次モード光をモニタ光として信号光と分離して取り出すことが困難となっていた。

本発明の課題は、1次モード光をモニター光として利用して光検出手段に取り出し、その光信号に基づいてバイアス電圧のフィードバック制御を行うのに際して、１次モード光を信号光から高効率で分離し、１次モード光の損失を減らして良好な制御を可能とすることである。

本発明は、光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調器であって、
強誘電性材料からなる基板、
少なくとも一対の分岐光導波路、分岐光導波路の合波部およびこの合波部の下流側の出射部を含んでいる光導波路、
光導波路を伝搬する光を変調する信号電圧を印加するための変調用電極、および
合波部からの１次モード光をガイドする１次モード光ガイド導波路を備えており、
少なくとも変調用電極下において前記基板の厚みが２０μｍ以下であり、合波部の中心軸からガイド導波路までの距離が１５μｍ以上、５０μｍ以下であり、ガイド導波路からの光出力に基づいて、変調用電極に加わる直流バイアスを変化させることによって、光変調器の動作点を制御でき、ガイド導波路が、一次モード光を受け入れる導入部、この導入部の下流側に設けられた側面側に曲がる湾曲部分と出射側端面へと曲がる湾曲部分、および出射部と平行に延びる射出部を備えており、ガイド導波路を伝搬した一次モード光が射出部を介して基板の端面から出射することを特徴とする。

本発明者は、基板厚みが薄くなると、厚み方向に低誘電率層あるいは空気層があるために基板内への閉じ込めが強くなり、光導波路の曲がり損失を極端に低減することが可能であることを発見した。例えば、図６は、波長１．５５μｍ、導波路の曲率半径５ｍｍの場合の、ＬＮ基板厚に対する１次モード光の光損失の計算結果である。この結果より、光導波路を湾曲させても、基板厚み２０μｍ以下では光損失が１０ｄＢ以下となり、実動作上問題にならないレベルに到達することがわかった。光導波路の曲率半径を大きくすることによりさらに低損失化が図れ、さらに、曲げ半径が１ｍｍの場合においても基板厚み１０μｍでは光損失を１０ｄＢ以下にできることがわかった。

本発明者は、このような発見に基づき、信号光を伝搬する三次元光導波路の合波部の近傍に、１次モード光を伝搬するためのガイド導波路を設け、１次モード光を信号光と分離して伝搬させることを想到した。そして、１次モード光の受光ポイントは、上述した理由から信号光の受光ポイントから大きく離し、光変調器の動作点の制御を容易に行えることを見いだし、本発明に到達した。

図１は、本発明の一実施形態に係る光変調器１を示す平面図である。 図２（ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であり、図２（ｂ）は、図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。 図３は、図１の光変調器のフィードバック機構を模式的に示す図である。 図４は、参考形態に係る光変調器１Ａを示す平面図である。 図５は、各ガイド導波路のエッジと合波部５ｅとの結合部分を示す平面図である。 図６は、基板厚さと光損失との関係を示すグラフである。 図７は、ガイド導波路の信号光出射部との距離と光損失との関係を示すグラフである。 図８は、信号光出射部の幅と光損失および漏話との関係を示すグラフである。 図９は、信号光出射部の幅と光損失および漏話との関係を示すグラフである。 図１０は、光変調器１の信号光出射部５ｆとガイド導波路との平面的位置関係を示す図である。 図１１は、光変調器１Ａの信号光出射部５ｆとガイド導波路との平面的位置関係を示す図である。

以下、適宜、例示図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光変調器１の平面図であり、図２（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であり、図２（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。

この実施形態の光変調デバイス８においては、支持基板７の表面に、図示しない接着剤層を介して、あるいは直接に、光変調器１の基板２の底面が接着されている。光変調器１の表面側には、マッハツェンダー型の光導波路５と、変調用電極３Ａ、３Ｂ、４とが形成されている。光導波路５は、入射部５ａ、一対の分岐光導波路５ｃ、５ｄおよび出射部５ｆを備えている。５ｂは分岐点であり、５ｅは合波部である。光導波路５を伝搬する光の制御方法や変調用電極の構成は周知であるので、説明を省略する。

信号光は、三次元光導波路の出射部５ｆの端面から出射する。例えば図３に示すように、光変調器１の出射側端面に光ファイバアレイ９を取り付けることによって、信号光を光ファイバー１０によって伝送する。

一方、１次モード光は、合波部５ｅ付近から射出する。ここで、合波部５ｅの近傍に一対の１次モード光ガイド導波路６Ａ、６Ｂのエッジを位置させる。本例では、合波部５ｆの両側にそれぞれ１次モード光ガイド導波路６Ａ、６Ｂを配置する。各ガイド導波路はチャンネル光導波路である。

各ガイド導波路６Ａ、６Ｂは、合波部５ｅ近傍にエッジのある導入部６ａ、湾曲部分６ｂ、６ｃおよび射出部６ｄを備えている。各ガイド導波路の各射出部６ｄは光変調器の端面に露出しており、一方のガイド導波路の射出部６ｄは光伝送部材１１に接続されている。こうした光伝送部材としては、光ファイバーが好ましい。本例では、側面側に曲がる湾曲部分６ｂ、端面側に曲がる湾曲部分６ｃを設けることによって、導入部６ａは合波部５ｅの近傍に位置させると共に、受光用の射出部６ｄは信号光の出射部５ｆから充分に離れた位置に形成することができる。

本例では、ガイド導波路の出射部６ｄと信号光の出射部５ｆとを略平行とすることが可能である。なお、ガイド導波路の出射部と信号光用の出射部５ｆとの間隔Ｌは、受光時にモニタ光と信号光とのＳＮをあげるという観点からは、１２０μｍ以上が好ましく、２４０μｍ以上が更に好ましい。

光伝送部材１１は受光素子に接続されており、受光素子は、受光した光を電気信号に変換し、自動バイアス制御回路１２へと伝送する。自動バイアス制御回路１２においては、１次モード光の情報から、適切な直流バイアス値を算出し、制御信号を矢印Ａのようにバイアスティー回路１３へと伝送し、必要に応じて直流バイアス値を変更する。

図４の光変調器１Ａにおいては、合波部５ｅの近傍に一対の１次モード光ガイド導波路６Ｃ、６Ｄのエッジを位置させる。本例では、合波部５ｆの両側にそれぞれ１次モード光ガイド導波路を配置する。各ガイド導波路はチャンネル光導波路である。

各ガイド導波路６Ｃ、６Ｄは、合波部５ｅ近傍にエッジのある導入部６ｅ、外側へと向かって湾曲する各湾曲部分６ｆおよび射出部６ｇを備えている。各ガイド導波路の各射出部６ｇは光変調器の側面に露出しており、一方のガイド導波路の射出部６ｇは、側面側に設置された受光素子１４に対向する。本例では、湾曲部分６ｆを設けることによって、導入部６ｅは合波部５ｅの近傍に位置させると共に、受光用の射出部６ｇは基板の側面に位置させる。

受光素子１４は、受光した光を電気信号に変換し、電線を通して自動バイアス制御回路１２へと伝送する。自動バイアス制御回路１２においては、１次モード光の情報から、適切な直流バイアス値を算出し、制御信号を矢印Ａのようにバイアスティー回路１３へと伝送し、必要に応じて直流バイアス値を変更する。

光検知器においては、光強度を測定することが好ましいが、光の位相や波長を測定することもできる。また、光検知器の種類は限定されないが、例えば、１０Ｇｂ／ｓの電気信号で光の変調を行う場合には、検出するのに充分なバンド幅を持つ応答速度の速いＩｎＧａＡｓ系の光検知器等が用いられる。

合波部の形態は限定されない。各分岐光導波路は、合波部において交わっていてもよいが、空間的に離れていても良い。ただし、合波部において、各分岐光導波路を伝搬してきた光エネルギーが合流可能なことが必要である。

また、分岐光導波路は、一対は必要であるが、複数対存在していてもよい。いわゆるカスケード型の光導波路であってよい。

光導波路、ガイド導波路は、プロトン交換法、チタン内拡散法、金属イオン拡散法によって形成でき、あるいは、基板の表面を機械加工やレーザーアブレーション加工によって除去することで、リッジ型の三次元光導波路を形成することができる。

好適な実施形態においては、光導波路、ガイド導波路が、基板２から突出するリッジ型光導波路である。こうした光導波路は、上述の方法で形成できる。あるいは、スラブ型光導波路の表面に、高屈折率膜を、例えば化学的気相成長法、物理的気相成長法、有機金属化学的気相成長法、スパッタリング法、液相エピタキシャル法によって形成し、この高屈折率膜を機械加工やレーザーアブレーション加工することによって、リッジ型の三次元光導波路を形成できる。

光変調器の基板を構成する材料は、強誘電性単結晶、ガラス、光学樹脂など、光の透過が可能な材料であればよい。ただし、強誘電性単結晶が好ましく、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、タンタル酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体、ＫＴＰを例示できる。

好適な実施形態においては、支持基板７と光変調器とを接着する接着剤層を備えている。支持基板を構成する材料としては、前述のような強誘電性単結晶、ガラス、樹脂を好適に使用できる。接着剤としては、ガラスや樹脂が好ましい。

前述のガラスとしては、低誘電率で接着温度（作業温度）が約６００℃以下のものが好ましい。また、加工の際に十分な接着強度が得られるものが好ましい。具体的には、酸化珪素、酸化鉛、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素等の組成を複数組み合わせた、いわゆるはんだガラスが好ましい。前述の樹脂としては、室温硬化、加熱硬化、紫外線硬化型樹脂が好ましく、低誘電率の樹脂が好ましい。実際には、エポキシ系、アクリル系、ウレタン系の樹脂が特に好ましい。

図５は、１次モード光ガイド導波路と合波部５ｅとの接続部分を拡大して示す模式図である。ここで、ｏｎ光とは信号光であり、ｏｆｆ光とは、フィードバック制御に用いる１次モード光である。出射部５ｆの中心軸Ｘからガイド導波路６Ｃ（または６Ａ、６Ｂ、６Ｄ）までの距離Ｓｘは、光エネルギーの移動時の損失を抑制するという観点から、５０μｍ以下とする。また、信号光と１次モード光との漏話や消光比の劣化を防止するため、１５μｍ以上とする。

電極部分における基板厚さは２０μｍ以下であるが、ガイド導波路の湾曲部分における損失低減という観点からは、１５μｍ以下であることが更に好ましく、１０μｍ以下であることが最も好ましい。また、これと同様に、光導波路に湾曲部分がある場合には、湾曲部分下における基板厚さは２０μｍ以下が好ましく、１５μｍ以下であることが更に好ましく、１０μｍ以下であることが最も好ましい。

また、信号光を伝搬するための射出部５ｆの両側に１次モード光ガイド導波路を設けることが好ましい。これにより、１次モード光を完全に信号光の近傍から遠ざけることが可能となり、これまでＯＦＦ光が出射側の光ファイバに結合していた不要成分を除去し、消光比が飛躍的に改善できた。

好適な実施形態においては、ガイド導波路が湾曲部分を備えている。光変調器基板の厚さを２０μｍ以下とすることによって、湾曲部分における損失は著しく低減され、これによって１次モード光の出射部分と信号光の出射部分とが大きく離れるようにガイド導波路を湾曲させる設計が可能となった。

ここで、ガイド導波路における光損失を抑制するという観点からは、湾曲部分の曲率半径Ｒを1ｍｍ以上とすることが好ましく、２ｍｍ以上とすることが更に好ましい。一方、ガイド導波路をできるだけ大きく湾曲させ、１次モード光の出射部と信号光の出射部との間隔を大きくするという観点からは、湾曲部分の曲率半径Ｒを３０ｍｍ以下とすることが好ましく、１５ｍｍ以下とすることが更に好ましい。

（実施例１）
図１、２、３を参照しつつ説明した方法に従い、図１の光変調器１を作製して試験した。具体的には、Ｘカットした３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ3単結晶）からなる基板を使用し、チタン拡散プロセスとフォトリソグラフィー法とによって、ウエハーの表面にマッハツェンダー型の光導波路５を形成する。次いで、メッキプロセスにより、ＣＰＷ電極を形成する。中心電極４と接地電極３Ａ、３Ｃとのギャップを２５μｍとし、電極厚みを２０μｍとし、電極長を３２ｍｍとする。次に薄型研磨のために研磨定盤に研磨ダミー基板を貼り付け、その上に変調器基板を電極面を下にして熱可塑性樹脂で貼り付ける。さらに、横型研磨およびポリッシング（ＣＭＰ）にて８μｍ厚みまで基板本体を薄型加工する。その後、平板状の支持基体７を基板本体に接着固定し、光ファイバの接続部を端面研磨し、ダイシングにてチップ切断する。接着固定用の樹脂は、樹脂厚５０μｍのエポキシ樹脂を使用した。入力側には１．５５μｍ帯パンダファイバを保持した単芯ファイバーアレイを、出力側にはシングルモードファイバを保持した単芯ファイバアレイを進行波形光変調器チップに結合し、光ファイバーと光導波路とを調芯し、紫外線硬化型樹脂によって接着する。

光ファイバアレイ９におけるピッチ間隔は、通常のファイバアレイで使用されている250μｍとしている。Wti−m（図５参照）は、ファイバのコア径と同じとすることが望ましい。例えば、GIファイバの場合、コア径は５０μｍ程度でありWti-mは５０μｍとした。また、S字をカーブを実現するために、湾曲部分６ｂ、６ｃにおける各曲率半径ｒは５ｍｍとした。図１０には、各ガイド導波路と出射部５ｆとの位置関係を示す。この状態で前述のようにして動作点の直流バイアス電圧を制御することができた。

（参考例１）
図４、図５を参照しつつ説明したような光変調器について検討を行った。
具体的には、光変調器の材質や光導波路の形成方法は実施例１と同様とする。受光面積５０μｍのフォトダイオードでは、拡がりを考慮してWti−mは３０μｍとした。また、ガイド導波路の湾曲部分における曲率半径ｒは５ｍｍとした。λ＝１．５５μｍとし、光変調器の基板の厚さは、図６に示すように変更する。図１１には、ガイド導波路と出射部５ｆとの平面的位置関係を示す。各ガイド導波路のエッジと出射部中心軸との距離Ｓｘは２０μｍとする。

この状態で基板の厚さＴｓｕｂを変更し、ｏｆｆ光（１次モード光）の光損失を測定したところ、図６に示す結果が得られた。即ち、基板の厚さが２０μｍ以下であれば、ガイド導波路の湾曲部分の曲率半径が５ｍｍと小さい場合にも、光損失は１０ｄＢ以下と著しく抑制されることが判明した。これによって、ガイド導波路の出射部を信号光の出射部５ｆから大きく離すことができる。

（参考例２）
参考例１と同様にして、ガイド導波路を伝搬する１次モード光の光損失試験を行った。ただし、本例では、λを１．５５μｍとし、光変調器基板厚さＴｓｕｂを８μｍとし、チタン厚さＴｔｉを６００オングストロームとし、信号光の出射部幅Ｗｔｉを５μｍとし、ガイド導波路の幅Ｗｔｉ−ｍを３０μｍとした。ガイド導波路のエッジと出射部中心軸との距離Ｓｘ、およびガイド導波路の湾曲部分の曲率半径ｒを、図７に示すように変更した。

この結果、Ｒ＝２０μｍ以下において光損失は１０ｄＢ以下に抑制された。また、１０μｍから１００μｍの間でＳｘを種々変更してもガイド導波路における光損失はあまり増大しなかった。

（参考例３）
参考例２と同様にして、ガイド導波路を伝搬する１次モード光の光損失試験を行った。ただし、本例では、λを１．５５μｍとし、光変調器基板厚さＴｓｕｂを８μｍとし、チタン厚さＴｔｉを６００オングストロームとし、ガイド導波路の幅Ｗｔｉ−ｍを３０μｍとした。ガイド導波路のエッジと出射部中心軸との距離Ｓｘを２０μｍ（図８）あるいは１５μｍ（図９）とした。ガイド導波路の湾曲部分の曲率半径ｒを３ｍｍとした。信号光の出射部幅Ｗｔｉを，図８、図９に示すように変更した。

図８、図９は、導波路の線幅Ｗtiが4μｍ、５μｍ、6μｍでのモニタ導波路の変調器が、off時の損失とon時の損失およびＭＺ導波路のon時のモニタ導波路への漏話率を示す。Ｓｘが15μｍおよび２０μｍにおいても、全てのWti幅において、モニタ導波路のoff時の損失は小さく、on時の漏話はなく、on時のＭＺ導波路の損失も無視できることがわかる。Ｓｘ＝15μｍの場合、Wtiが大きくなるにつれ、さらにモニタ導波路のoff時の損失は小さく、on時の漏話はなく、on時のＭＺ導波路の損失も無視できることがわかる。これは、ＭＺ導波路の閉じ込めが強くなるので、モニタ導波路と結合しにくいことを裏つけている。この効果はＳｘ＝20μｍではさらに顕著である。

Claims (3)

1. 光導波路を伝搬する光に電圧を印加してこの光を変調する光変調器であって、
   強誘電性材料からなる基板、
   少なくとも一対の分岐光導波路、前記分岐光導波路の合波部およびこの合波部の下流側の出射部を含んでいる光導波路、
   前記光導波路を伝搬する光を変調する信号電圧を印加するための変調用電極、および
   前記合波部からの１次モード光をガイドする１次モード光ガイド導波路を備えており、
   少なくとも前記変調用電極下において前記基板の厚みが２０μｍ以下であり、前記合波部の中心軸から前記ガイド導波路までの距離が１５μｍ以上、５０μｍ以下であり、前記ガイド導波路からの光出力に基づいて、前記変調用電極に加わる直流バイアスを変化させることによって、前記光変調器の動作点を制御でき、前記ガイド導波路が、前記一次モード光を受け入れる導入部、この導入部の下流側に設けられた側面側に曲がる前記湾曲部分と前記基板の端面側に曲がる前記湾曲部分、および前記出射部と平行に延びる射出部を備えており、前記ガイド導波路を伝搬した前記一次モード光が前記射出部を介して前記基板の前記端面から出射することを特徴とする、光変調器。
2. 前記湾曲部分の曲率半径が１ｍｍ以上、３０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の光変調器。
3. 前記１次モード光ガイド導波路が前記出射部の一方の側に形成されており、他の１次モード光ガイド導波路が前記出射部の他方の側に形成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の光変調器。

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