JP5211476B2 - 出力光モニタ付光導波路型光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、出力光モニタ付光導波路型光変調器に関するものであり、特に、本発明はモニタ用出力光として光導波路から放射される放射モード光を適宜の方向において利用し、光変調器本体の実質的構造を変更することなく、簡単なモニタ手段により出力光をモニタし光変調器の動作点をフィードバック制御し、モニタ信号におけるノイズを低減させた出力光モニタ付光導波路型変調器に関するものである。

一般的に、光導波路素子などを用いた光変調器の出力光を一定出力の状態に維持するためには、光変調器の出力光をモニタし、出力光の変化に対応して、光変調器に印加する変調電圧などの大きさを変化させることが必要である。
光導波路素子などによる光変調器の出力光をモニタする方法として、従来は光導波路素子内に方向性結合器（カプラ）などを配置して、光信号出力用の光導波路とは別に、モニタ光出力用の光導波路を設ける方式が一般的に行なわれている。この方式においては、光導波路素子内に、モニタ光分岐用の光回路を新たに設ける必要があり、またモニタ出力用光ファイバを、光出力信号用光ファイバとは別に光導波路素子に接続する必要がある。

また、別のモニタ方式として、特許文献１に開示されているように、光導波路上のクラッド部に傾斜穴をつけるか、あるいは光導波路素子上に回折レンズなどを配置し、光導波路中の信号出力光の一部分を、このレンズ等により素子基板の外に取り出す方式が知られている。この方式においては、光導波路素子上に、モニタ光取り出し用レンズ等を、新たに取りつけることが必要であり、また、モニタ光は、光導波路素子の上方に取り出されるため、モニタ光の受光部材は、光導波路素子を収容ケース内に実装した後に、この素子に取りつけなければならず、この取り付けにはかなりの手間を要する。
特開平１１−１９４２３７号公報

さらに、特許文献２には、光導波路素子の素子端を斜めに形成し、導波路から出力する光の一部分を斜め方向に反射させ、この反射光をモニタ光として受光する方式が開示されている。この方式においては、素子端面の傾斜形状は、素子からの主出力光に悪影響を与えない範囲内において選定する必要があり、このためこの方式の実用性については問題がある。
特開平５−３４６５０号公報

特許文献３には、光導波路素子上に直接受光素子を設置し、光導波路中の信号出力光の一部を直接受光し、モニタするデバイスが記載されている。このデバイスにおいて、受光素子の取付手段を、光導波路素子上に取りつけることが必要であり、かつ、この取付手段の実装及びそれに受光素子を接続する作業及び調整作業は、光導波路素子を、それを収容するケースに実装した後に行われる。このため、この受光素子の取り付け、調整作業は、かなり難しくなり、光導波路素子にダメージを与える可能性が高くなる。
特開平５−５３０８６号公報

以上を踏まえ、本出願人は、図１に示すように、特許文献４において、モニタ用出力光として、光導波路２における分岐光導波路部の合一点から放射される放射モード光２０を、適宜の方向において利用し、光変調器本体の実質的な構造を変更することなく、簡単な構造と、優れた加工性及び光ファイバ操作性を有するキャピラリー４を利用したモニタ手段により、出力光の光強度をモニタできる「出力光モニタ付光導波路型変調器」を提案した。図１において、１は誘電体基板、３は光ファイバ、５はキャピラリーに形成された放射モード光２０を反射する反射手段、６は放射モード光を受光する受光素子、７は光導波路素子及び前記受光素子などを内蔵する筐体、１０は入射光、さらに１１は出射光を各々示す。
特開２００１−２８１５０７号公報

さらに、光導波路型光変調器の基板からは、上述した放射モード光以外にも多様な迷光が漏出しており、キャピラリーの内部に入射した光は、キャピラリーの内面で反射され、それらの一部は光電変換素子に入射することとなり、光検出器からのモニタ信号出力もバックグラウンド・ノイズを多く含む波形となる。このため、本出願人は特許文献５において、キャピラリーの誘電体基板側とは反対の端面には、放射モード光の一部のみを光検出器に向かって反射させる反射手段を設けると共に、該キャピラリーの表面は、該反射手段及び該反射手段による反射光が光検出器に向かう光路上を除いて、光吸収層が形成されている「出力光モニタ付光導波路型光変調器」を提案した。
特開２００４−２９４７０８号公報

他方、光変調周波数の広帯域化を実現するためには、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合を図ることが重要であり、これまでに、様々な方法が考案されている。具体例を挙げれば、バッファ層の厚膜化、電極の高アスペクト化やリッジ構造などがこれにあたる。特に、以下の特許文献６又は７においては、３０μｍ以下の厚みを有する極めて薄い基板（以下、「薄板」という。）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、該薄板より誘電率の低い他の基板を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図ることが行われている。
特開昭６４−１８１２１号公報 特開２００３−２１５５１９号公報

しかしながら、光導波路を形成する基板の厚みが薄くなるに従い、光導波路を伝搬する光波は基板表面に平行な方向（厚み方向に垂直な方向。以下、「横方向」という。）に広がる傾向を示す。このため、光ファイバの横方向の幅よりも、基板から出力される光波の横方向のモード径が広くなるため、図２に示すように光導波路２の出射端からの出力光のうち、光ファイバ３に結合せず外部に漏れ出す光波２１（以下、「非結合光」という。）が多くなり、キャピラリー４などの補強部材を伝搬し、光検出器に入射するという不具合を生じる。
なお、以下の図２及び３については、非結合光２１の記述を明確にするため、光導波路２の出力端に接続される光ファイバ３の内、キャピラリー４中に保持される部分の記載を省略してある。

図３は、図２に示す光導波路素子の側面図であり、図４に光導波路素子のキャピラリーの側面側（特に図３の点線１２の部分）を観察した様子を示す。なお、図３において、１は誘電体基板、２は光導波路、８は接着層、９は補強板を示す。
図４（ａ）は出射光がＯＮ状態の様子を示しており、非結合光及び若干の放射モード光が観察されている。他方、図４（ｂ）は出射光がＯＦＦ状態の様子を示しており、放射モード光及び若干の非結合光が観測されている。

図５（ａ）に示すように、通常は、放射モード光Ｂは、光変調器から出力される信号光（メイン光）Ａとは逆相状態で変化しているが、図４のように非結合光が放射モード光を受光する受光素子に入射すると、図５（ｂ）の波形Ｂ’に示すように放射モード光として観測される信号が、信号光Ａの逆相状態からシフトする結果となる。ただし、図５の横軸は光導波路素子に印加する電圧の変化量を示し、縦軸は検出される光強度を示す。

図５（ｂ）の波形Ｂ’に示すように、位相シフトが発生する原因は、放射モード光が受光素子に到達するまでの光路長と、非結合光が受光素子に到達するまでの光路長とが異なり、両者の光路長の差による位相差が発生するためである。
また、非結合光の影響は上述した位相シフトだけでなく、本来の放射モード光が来ないときに非結合光を受光するため、波形Ｂ’の振幅値が減少し、放射モード光の検知に際しての消光比が劣化する原因ともなる。

モニタ光として放射モード光を受光素子により検出し、受光素子からの検出信号に基づき、光導波路素子に印加するＤＣバイアス等を調整して、信号光の動作点を制御する場合には、該受光素子が非結合光も併せて受光しているため信号光とモニタ光との関係が逆相状態からシフトし、さらにモニタ出力の消光比が劣化するため制御すべき信号光の状態を正確に判別することが困難となる。

このような問題を解決するため、本出願人は、以下の特許文献８において、誘電体基板と、該誘電体基板の表面又は裏面に形成され、２つ以上の分岐光導波路部及び該分岐光導波路部の合一点から伸びる光導波路出力部を有する光導波路とを備えた光導波路素子と、該光導波路出力部の出力端に接続される光ファイバと、該光導波路出力部の出力端と該光ファイバの端面との接続部を補強する光ファイバ補強部材と、前記分岐光導波路部の合一点から放射され、かつ該光導波路出力部の両側を通って伝搬される放射モード光の一部を、該誘電体基板及び該光ファイバ補強部材を介して受光する光検出器と、を有する出力光モニタ付光導波路型光変調器において、該光ファイバ補強部材が、該光ファイバの接続端部分を収容する中空部を有し、かつ、該放射モード光を伝搬するキャピラリーであり、該キャピラリーの該誘電体基板側とは反対の端面には、前記放射モード光の一部を該光検出器に向かって反射させる反射手段が形成されており、該光導波路出力部と該光ファイバとの非結合光が該光検出器に入射することを防止する非結合光遮蔽手段が設けられていることを特徴とする出力光モニタ付光導波路型光変調器を提案した。
特願２００５−２８４４６７号（出願日：平成１７年９月２９日）

特に、上記非結合光遮蔽手段は、キャピラリーから外部に放出される非結合光を抑制するための構成であり、例えば、キャピラリーの反射手段における光ファイバに近接する部分の一部を切除するなどの構成を含むものである。

しかしながら、光変調器の小型化を進める際には、図６に示すように、分岐光導波路部の合一点から基板１の出射端部までの距離Ｌが短くなり、光導波路出力部と光ファイバとの非結合光ａと、合一点から放射される放射モード光ｂが近接することとなる。このため、上記特許文献８のように、キャピラリー４に直接入射する放射モード光ｃの場合には、特に問題とならなかったが、放射モード光ｂのように光ファイバのクラッド部３−２に入射する場合には、非結合光と放射モード光とが極めて近接するため、上述したキャピラリーの反射手段では、放射モード光までも遮蔽してしまう可能性が高くなる。
なお、ｄ１は光導波路の幅であり、通常は約７μｍ、ｄ２は光ファイバのコア部３−１の直径であり、通常は約１０μｍ、さらにｄ３は光ファイバの外径であり、通常は約１２５μｍ程度である。

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、誘電体基板として薄板を用いた場合においても、モニタ用出力光として光導波路から放射される放射モード光を、より正確に検出するための出力光モニタ付光導波路型光変調器を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、誘電体基板と、該誘電体基板の表面又は裏面に形成され、２つ以上の分岐光導波路部及び該分岐光導波路部の合一点から伸びる光導波路出力部を有する光導波路とを備えた光導波路素子と、該光導波路出力部の出力端に接続される光ファイバと、該光導波路出力部の出力端と該光ファイバの端面との接続部を補強する光ファイバ補強部材と、前記分岐光導波路部の合一点から放射され、かつ該光導波路出力部の両側を通って伝搬される放射モード光の一部を、該誘電体基板及び該光ファイバ補強部材を介して受光する光検出器とを有する出力光モニタ付光導波路型光変調器において、該光ファイバ補強部材が、該光ファイバの接続端部分を収容する中空部を有し、かつ、該放射モード光を伝搬するキャピラリーであり、該キャピラリーの該誘電体基板側とは反対の端面には、前記放射モード光の一部を該光検出器に向かって反射させる反射手段が形成されており、該光導波路出力部と該光ファイバとの非結合光が該光検出器に入射することを防止する非結合光遮蔽手段を該キャピラリーと該光検出器との間に配置し、該非結合光遮蔽手段は、該光キャピラリーを取り囲む形状であるとともに、スリット、アイリス、又はアパーチャのいずれかを有し、該非結合光遮蔽手段は、該キャピラリーの周囲に沿って、位置調整が可能となるように配置されていることを特徴とする。
なお、本発明における「キャピラリー」とは、光ファイバの接続端部分を収容する中空部を有しており、かつ放射モード光を伝搬することが可能であるなら、特に形状や材質が限定されるものではない。以下では、一例としてガラス製などの透明な材料で形成された円筒形の細管の例を例示するが、上述した機能を有するものであれば、ガラス製や円筒状以外でも、本発明に使用することが可能である。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の出力光モニタ付光導波路型光変調器において、該誘電体基板の厚さは３０μｍ以下であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の出力光モニタ付光導波路型光変調器において、該キャピラリーと該光ファイバとの間に金属膜、反射膜又は光吸収膜のいずれかを配置することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、非結合光遮蔽手段をキャピラリーと光検出器との間に配置されているため、非結合光と放射モード光とをより分離した状態で、非結合光を遮断することが可能となり、非結合光が光検出器に入射することを防止することが可能となる。これにより、信号光に対して逆相状態のモニタ光をより正確に検出することが可能となる。また、非結合光遮蔽手段は、該光キャピラリーを取り囲む形状であるとともに、スリット、アイリス、又はアパーチャを有するため、簡単な構成で効果的に非結合光を遮断することが可能となる。さらに、非結合光遮蔽手段は、キャピラリーの周囲に沿って配置されるため、非結合光遮蔽手段を配置するための支持部材を別途設ける必要がなく、スリットに係る構成を簡略化することが可能となる。また、スリットを固定する際も、キャピラリーに対してスリットを可動調整したり、光検出器に対してスリットを可動調整することにより、容易に光結合光のみを遮断するようスリットの配置を決定することができる。なお、スリットを備えた光検出器をキャピラリーに対して位置調整して配置することも可能である。そしてスリットを固定する際には、スリットを可動調整後、最適位置にて接着剤等によりキャピラリーや光検出器に固定するだけで良いため、極めて高精度に非結合光を遮断することが可能となる。

請求項２に係る発明により、誘電体基板の厚さは３０μｍ以下であるため、非結合光が発生し易い光変調器であるにも拘らず、また、放射モード光と非結合光とが近接した状態となり易い光変調器であるにも拘らず、請求項１の構成を採用することで、放射モード光のみを正確に検出することが可能となる。

請求項３に係る発明により、キャピラリーと光ファイバとの間に金属膜、反射膜又は光吸収膜のいずれかを配置するため、放射モード光が基板からキャピラリーに直接入射する場合には、光ファイバの近傍を伝搬する非結合光を、より効果的に遮断することが可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図７は、本発明に係る出力光モニタ付光導波路型光変調器の第１の実施例を示す。
本発明は、誘電体基板１と、該誘電体基板の表面又は裏面に形成され、２つ以上の分岐光導波路部及び該分岐光導波路部の合一点から伸びる光導波路出力部を有する光導波路２とを備えた光導波路素子と、該光導波路出力部の出力端に接続される光ファイバ３と、該光導波路出力部の出力端と該光ファイバの端面との接続部を補強する光ファイバ補強部材４と、前記分岐光導波路部の合一点から放射され、かつ該光導波路出力部の両側を通って伝搬される放射モード光ｂの一部を、該誘電体基板及び該光ファイバ補強部材を介して受光する光検出器６とを有する出力光モニタ付光導波路型光変調器において、該光ファイバ補強部材が、該光ファイバの接続端部分を収容する中空部を有し、かつ、該放射モード光を伝搬するキャピラリー４であり、該キャピラリーの該誘電体基板側とは反対の端面には、前記放射モード光の一部を該光検出器に向かって反射させる反射手段５が形成されており、該光導波路出力部と該光ファイバとの非結合光ａが該光検出器に入射することを防止する非結合光遮蔽手段３１を該キャピラリー４と該光検出器６との間に配置したことが設けられていることを特徴とする。図７においては、非結合光遮蔽手段は、キャピラリー４を取り囲む円筒部材３１であり、該円筒部材３１の一部には、放射モード光を通過させるスリット３０が形成されている。

特に、本発明が適用される光変調器は、誘電体基板の厚さが３０μｍ以下であり、このような薄板を用いた光変調器においては、光ファイバ３に結合しない非結合光ａが増加する傾向にあるため、本発明を効果的に適用することが可能である。

本発明に係る出力光モニタ付光導波路型光変調器の全体構成としては、図１に示す従来の光変調器の構成が採用でき、特に、キャピラリー４などに非結合光遮蔽手段を形成している点を除いて、同様に構成することが可能である。
本発明においても、ケース（筐体）７内に、ＬｉＮｂＯ_３などの強誘電体からなる基板１を固定する。例えば、その表面部分には、マッハツェンダー型光導波路２が形成されている。このマッハツェンダー型光導波路２は、光導波路入力部、それから分岐した分岐光導波路部、その分岐光導波路部の合波部、及び光導波路出力部を有し、各分岐部上に不図示の制御電極（信号電極及び接地電極など）が配置されている。基板１の入力端部（図１の右側）には、入力側キャピラリーが接合されている。キャピラリーの中空部を通して入力側光ファイバが導入され、その先端面が、光導波路入力部の入力端面に接続されている。

光導波路２の出力端側には、同様にして、出力側キャピラリー４、出力側光ファイバ３が接続されている。
光波は、矢印１０のように入力側光ファイバから、光導波路入力部に入り、分岐部に分配される。制御電極に、印加電気信号を、例えばケース７の側面に配置されたコネクタ（不図示）を介して印加すると、分岐光導波路部を伝搬する光波の光位相が、印加電気信号に応じて変化する。位相変化を受けた光波は、合波部において合波し、互いに干渉して信号光を発生する。この干渉後の信号光は、キャピラリー４により補強された光ファイバ３を通ってケース７の外に、矢印１１のように出力される。

光導波路合波部で、基板１内に放射された２つの放射モード光のうち、放射モード光２０は、キャピラリー４の内部を通りキャピラリー４の先端面の上半部に形成された反射面５において反射される。キャピラリー４の形状として、略円柱状のものを使用する場合には、該円柱状の周面において放射モード光が集光され、光導波路２の出力方向にほぼ直角をなす方向に放射される。この放射モード光２０は、受光素子６に入射し、放射モード光の光強度に対応した電気信号を出力することとなる。
なお、光導波路２と光ファイバ３との結合部や、キャピラリーの外周面、さらには受光素子の受光面などで、伝搬する光波（信号光又は放射モード光）が反射し、戻り光とならないように、特許文献４又は５のように伝搬光の進行方向と境界面との成す角度を垂直状態から若干傾けて構成することが好ましい。

図８は、図７で示した第１の実施例の斜視図であり、キャピラリー４を取り囲むように、非結合光遮蔽手段３１が配置されている。本発明に係るキャピラリーは、図８などに示したように円筒状の細管に限定されるものではなく、光ファイバの接続端部分を収容する中空部を有しており、かつ放射モード光を伝搬することが可能であるなら、特に形状や材質は限定されない。また、非結合光遮蔽手段の形状も、図８に示したような円筒状のものに限定されない。また、非結合光遮蔽手段の材質も、光を遮断できるものであれば、金属製、樹脂製、セラミック製など各種の材料が使用可能である。さらに、非結合光遮蔽手段には、スリット以外にアイリスやアパーチャを使用することも可能である。

円筒部材３１の一部にスリット３０が形成され、該スリットにより放射モード光のみを効率よく通過させ、非結合光は遮断可能な位置となるように、該円筒部材を光ファイバの光軸方向Ｘや該光軸に対する回転方向θに可動調整し、例えば、光検知器６の信号や別途のモニタ装置の信号を基に、該円筒部材の配置を決定する。そして、円筒部材とキャピラリー４とを接着剤により接着固定する。
なお、図８に示す符号１５は、基板１にキャピラリー４接着する際の補強部材を示す。

非結合光遮蔽手段の第２の実施例としては、図９に示すように、光検出器６の受光面の前面にスリット３２を有するスリット部材３３を配置したものである。
図９に示したように、スリット部材３３は、非結合光ａを遮断し、放射モード光ｂを通過させ、光検出器６に入射させている。

スリット部材３３は、光検出器６に接着剤で固定することが可能であり、その際には、光検出器６に対してスリット部材を相対的に移動させ、非結合光を遮断し、放射モード光のみを受光可能な位置で、スリット部材を接着する。また、予め光検出器の前面にスリット部材を所定位置に接着し、その後、光検出器全体の位置を調整することも可能である。

さらに、上記第１の実施例と第２の実施例とを組み合せて、より効果的に非結合光を遮断することも可能である。
また、放射モード光が基板からキャピラリーに直接入射する場合には、特許文献８に開示した以下のような非結合光遮蔽手段を組み合せて用いることも可能である。

特許文献８に開示された非結合光遮蔽手段としては、次のようなものが例示される。
（１）キャピラリーの反射手段における光ファイバに近接する部分の一部を切除すること
（２）キャピラリーから露出した光ファイバの表面又は光ファイバの近傍に位置するキャピラリーの表面に、光吸収材を形成すること
（３）キャピラリーの中空部の内面（キャピラリーと光ファイバとの間）に、金属膜、反射膜又は光吸収膜のいずれかを配置すること
（４）キャピラリーの中空部の形状において、誘電体基板側の端面の穴を拡張すること
（５）キャピラリーと誘電体基板との間に、金属膜、反射膜又は光吸収膜のいずれかを配置すること
（６）キャピラリー内を伝搬する非結合光がキャピラリーから外部に放出される位置に、キャピラリーの切除部分を形成すること
（７）キャピラリーの中空部と光ファイバとの間に、管状挿入材を挿入すること
特に、上記（３）は、光ファイバのクラッド部に入射した非結合光が、キャピラリー内に入射するのを効率よく遮断するため、極めて効果的な方法である。

本発明に係る出力光モニタ付光導波路型光変調器によれば、誘電体基板として薄板を用いた場合においても、モニタ用出力光として光導波路から放射される放射モード光を、より正確に検出するための出力光モニタ付光導波路型光変調器を提供することが可能となる。

従来の出力光モニタ付光導波路型光変調器の概略図である。 従来のキャピラリー近傍の状態を示す平面図である。 従来のキャピラリー近傍の状態を示す側面図である。 従来のキャピラリー近傍の状態を示す観察図である。 信号光と受光素子のモニタ光との関係を示すグラフである。 非結合光と放射モード光が光ファイバやキャピラリーに入射する様子を示した図である。 本発明に係る第１の実施例を示す図である。 本発明に係る第１の実施例の斜視図を示す図である。 本発明に係る第２の実施例を示す図である。

１ 誘電体基板
２ 光導波路
３ 光ファイバ
４ キャピラリー
５ 反射手段
６ 受光素子
７ 筐体
８ 接着層
９ 補強板
１０ 入射光
１１ 出射光（信号光）
２０ 放射モード光
２１ 非結合光
３０，３２ スリット
３１，３３ 非結合光遮蔽部材

Claims (3)

1. 誘電体基板と、該誘電体基板の表面又は裏面に形成され、２つ以上の分岐光導波路部及び該分岐光導波路部の合一点から伸びる光導波路出力部を有する光導波路とを備えた光導波路素子と、
   該光導波路出力部の出力端に接続される光ファイバと、
   該光導波路出力部の出力端と該光ファイバの端面との接続部を補強する光ファイバ補強部材と、
   前記分岐光導波路部の合一点から放射され、かつ該光導波路出力部の両側を通って伝搬される放射モード光の一部を、該誘電体基板及び該光ファイバ補強部材を介して受光する光検出器と、
   を有する出力光モニタ付光導波路型光変調器において、
   該光ファイバ補強部材が、該光ファイバの接続端部分を収容する中空部を有し、かつ、該放射モード光を伝搬するキャピラリーであり、
   該キャピラリーの該誘電体基板側とは反対の端面には、前記放射モード光の一部を該光検出器に向かって反射させる反射手段が形成されており、
   該光導波路出力部と該光ファイバとの非結合光が該光検出器に入射することを防止する非結合光遮蔽手段を該キャピラリーと該光検出器との間に配置し、
   該非結合光遮蔽手段は、該光キャピラリーを取り囲む形状であるとともに、スリット、アイリス、又はアパーチャのいずれかを有し、
   該非結合光遮蔽手段は、該キャピラリーの周囲に沿って、位置調整が可能となるように配置されていることを特徴とする出力光モニタ付光導波路型光変調器。
2. 請求項１に記載の出力光モニタ付光導波路型光変調器において、該誘電体基板の厚さは３０μｍ以下であることを特徴とする出力光モニタ付光導波路型光変調器。
3. 請求項１又は２に記載の出力光モニタ付光導波路型光変調器において、該キャピラリーと該光ファイバとの間に金属膜、反射膜又は光吸収膜のいずれかを配置することを特徴とする出力光モニタ付光導波路型光変調器。

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