JP5303848B2 - 光導波路素子、及び光導波路素子の光クロストーク抑止方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、メインのマッハツエンダー型光導波路中に、２つのサブマッハツエンダー型光導波路が組み込まれた構成の、いわゆるネスト型導波路構造の光導波路素子に関する。

従来、光通信分野や光測定分野において、ＳＳＢ(Single-Side band)変調方式やデュオバイナリ（duobinary）変調方式など、複数の変調用電極に所定の位相差（＝時間遅延）を有する同一の変調信号を印加する光変調方式が利用されている。

ＳＳＢ型光変調器では、２つのサブマッハツェンダ型光導波路をメインマッハツェンダ型光導波路の分岐導波路に組み込んだ構成、いわゆる２つ入れ子マッハツエンダー型光導波路を有した、ネスト型導波路構造の光導波路素子が用いられている。このような光導波路素子において、ＳＳＢ変調信号を得るためには、90°ハイブリットを用いて２つの分岐された変調信号間の位相差が90°になるよう設定し、各サブ・マッハツェンダ型光導波路の変調用電極に印加する（特許文献１）。
特許第３８６７１４８号

また、デュオバイナリ変調方式においては、２重電極型マッハツェンダ光変調器を利用し、２つの分岐導波路の各変調用電極に印加される変調信号が、ビット遅延回路を用い２つの変調信号間に所定のビット差を生じるよう設定されている。一般的にビット遅延量は０〜２Ｔ（Ｔ＝１bit）の範囲で選択される。

しかしながら、特に、上記ＳＳＢ変調方式で使用するネスト型導波路構造の光導波路素子においては、その使用中において各サブマッハツエンダー型光導波路のバイアス点、す
なわち動作点が随時シフトしてしまい、安定な動作を確保することができないという問題があった。

このような動作点シフトを抑制するためには、例えば、上記光導波路素子からの出力信号を光検出部で適宜モニタリングし、動作点シフトが生じた場合は適宜制御装置などを用いることによって、そのシフト分を補完するという操作がなされていた。しかしながら、かかる動作点の調整操作は極めて煩雑であるので、上述したネスト型光導波路構造の光導波路素子の実用上の障害となっていた。

本発明は、制御装置などを必要とせずに、素子自体が動作点シフト抑制機能を有するネスト型光導波路構造の光導波路素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
電気光学効果を有する基板と、
前記基板上に形成された光導波路と、
前記光導波路内を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具え、
前記光導波路は、前記光波の進行方向において少なくとも２つに分岐して少なくとも２本のメイン光導波路を構成し、各メイン光導波路は前記光波の前記進行方向においてさらに少なくとも２つに分岐して少なくとも２本のサブ光導波路を構成し、
前記少なくとも２本のメイン光導波路は、メインマッハツエンダー型光導波路を構成するとともに、前記少なくとも２本のサブ光導波路は、前記メインマッハツエンダー型光導波路内に組み込まれるようにしてサブマッハツエンダー型光導波路を構成し、
前記サブ光導波路から構成される前記サブマッハツエンダー型光導波路の全ては、前記光波の前記進行方向を基準とした場合に、前記全てのメイン光導波路間において互いに異なる位置に形成されていることを特徴とする、光導波路素子に関する。

また、本発明は、
電気光学効果を有する基板と、前記基板上に形成された光導波路と、前記光導波路内を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具え、
前記光導波路は、前記光波の進行方向において少なくとも２つに分岐して少なくとも２本のメイン光導波路を構成し、各メイン光導波路は前記光波の前記進行方向においてさらに少なくとも２つに分岐して少なくとも２本のサブ光導波路を構成し、前記少なくとも２本のメイン光導波路は、メインマッハツエンダー型光導波路を構成するとともに、前記少なくとも２本のサブ光導波路は、前記メインマッハツエンダー型光導波路内に組み込まれるようにしてサブマッハツエンダー型光導波路を構成してなる光導波路素子において、
前記サブ光導波路から構成される前記サブマッハツエンダー型光導波路の全てを、前記光波の前記進行方向を基準とした場合に、前記全てのメイン光導波路間において、前記サブマッハツエンダー型光導波路の変調部が重なり合わないようにして形成し、前記サブマッハツエンダー型光導波路間の光クロストークを抑止することを特徴とする、光導波路素子（ネスト型導波路構造の光導波路素子）の光クロストーク抑止方法に関する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、以下に示すような事実を見出すに至った。上記のようなネスト型導波路構造の光導波路素子においては、変調操作を受けるサブマッハツエンダー型光導波路が近接して存在すると、互いに光導波路中を導波する光波が光学的な干渉を引き起こす場合がある。すなわち、例えば第１のサブマッハツエンダー型光導波路及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路が、互いに近接して存在すると、これらの光導波路中を導波する光波が互いに干渉するようになる。

すなわち、前記第１のサブマッハツエンダー型光導波路と、前記第２のサブマッハツエンダー型光導波路との間には、光クロストークが発生するようになるので、この光クロストークによって、前記第２のサブマッハツエンダー型光導波路は、動作点シフトなどの特性上の影響を受けることになる。この結果、光導波路素子全体でも動作点シフトが頻繁に発生してしまうこととなっていた。

このような状況に鑑み、本発明では、上記第1のサブマッハツエンダー型光導波路及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路などの少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路を、光波の進行方向を基準とした場合において、相異なる位置に形成するようにしている。この結果、たとえ前記第１のサブマッハツエンダー型光導波路及び前記第２のサブマッハツエンダー型光導波路が、電気光学効果を有する基板上において、概観上並列に、さらには近接して形成されている場合においても、前記光導波路間の光クロストークを抑止できる。

したがって、各サブマッハツエンダー型光導波路の動作点シフトなどの光クロストークに起因した動作点シフトなどの諸特性を効果的に抑制することができる。

なお、本発明の一態様では、前記少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路は、前記光波の前記進行方向において、少なくとも前記サブマッハツエンダー型光導波路の変調部が重なり合わないようにして形成することができる。この場合でも上述した要件を満足することができるので、前記サブマッハツエンダー型光導波路間の光クロストーク、さらにはそれに付随した動作点シフトなどを抑制することができる（第１の態様）。なお、上記「変調部」とは、サブマッハツエンダー型光導波路を構成するサブ光導波路が略平行であって、信号電極及び接地電極などから構成される変調用電極によって、前記サブ光導波路内を導波する光波が実際に変調を受けるような領域である。

また、本発明の他の態様では、前記少なくとも２本のメイン光導波路は、前記基板の途中経路において互いに交差し、前記光波の進行方向において、前記少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路の少なくとも１つは、前記メイン光導波路の交点の前方に形成するとともに、前記少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路の残りは、前記メイン光導波路の交点の後方に形成することができる。この場合でも上述した要件を満足することができるので、前記サブマッハツエンダー型光導波路間の光クロストーク、さらにはそれに付随した動作点シフトなどを抑制することができる（第２の態様）。

さらに、本発明のその他の態様では、前記少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路は、前記光波の前記進行方向において並列に形成されるとともに、前記光波の前記進行方向において互いに前方及び後方に位置するようにして形成することができる。この場合、見かけ上は、前記サブマッハツエンダー型光導波路が互いに光クロストークを生じるような並列位置に形成されているが、上述したように、光波の進行方向を基準とした場合においては、相異なる位置に形成されていることになるので、前記サブマッハツエンダー型光導波路間の光クロストーク、さらにはそれに付随した動作点シフトなどを抑制することができる（第３の態様）。

また、本発明の他の態様では、前記サブマッハツエンダー型光導波路は３つ以上であって、前記光波の前記進行方向において、少なくとも前記サブマッハツエンダー型光導波路の変調部が重なり合わないようにして形成することができる（第４の態様）。

第４の態様は、サブマッハツエンダー型光導波路が３つ以上存在する場合の具体的な構成を示したものである。

なお、特開平７−６４０３１号公報には、サブマッハツエンダー型光導波路を含まない、メインマッハツエンダー型光導波路のみを含む光変調器において、変調用電極を前記メインマッハツエンダー型光導波路の光波の進行方向において縦列に配列するようにし、これによって電気的クロストークを低減させることを開示しているが、本発明のように、メインマッハツエンダー型光導波路に加えてサブマッハツエンダー型光導波路を有するようなネスト型導波路構造の光導波路素子の光クロストークの抑止に関しては何ら言及していない。
特開平７−６４０３１号

以上、説明したように、本発明によれば、光導波路素子を構成する少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路間の光クロストークを効果的に抑制することができるので、制御装置などを必要とせずに、素子自体が動作点シフト抑制機能を有するネスト型光導波路構造の光導波路素子を提供することができる。

以下、本発明の詳細について、図面を参照しながら発明の実施形態に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における光導波路素子の構成を示す平面図である。本実施形態における光導波路素子１０は、電気光学効果を有する基板１１、この基板１１の表面部分に形成された光導波路１２を具えている。光導波路１２は、光波の進行方向において２つに分岐して２本のメイン光導波１４１及び１４２を構成し、各メイン光導波路１４１及び１４２は、それぞれ前記光波の前記進行方向においてさらに２つに分岐して２本のサブ光導波路１５１及び１５２、並びに１６１及び１６２を構成する。

２本のメイン光導波路１４１及び１４２は、メインマッハツエンダー型光導波路１４を構成する。また、２本のサブ光導波路１５１及び１５２は、第１のサブマッハツエンダー型光導波路１５を構成し、２本のサブ光導波路１６１及び１６２は、第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６を構成する。この結果、２つのサブマッハツエンダー型光導波路１５及び１６は、メインマッハツエンダー型光導波路１４内に組み込まれたような構成を呈する。

なお、サブ光導波路１５１及び１５２には変調用電極１５３及び１５４が設けられ、サブ光導波路１６１及び１６２には変調用電極１６３及び１６４が設けられている。本実施形態では、変調用電極１５３及び１６３が所定の変調信号を印加する信号電極として機能し、変調用電極１５４及び１６４が接地電極として機能している。また、図中の矢印は、光導波路中の光波の進行方向を示すものである。

本実施形態では、第１のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６は、基板１１の長手方向（光波の進行方向）において、少なくとも変調部が重なり合わないようにして形成している。したがって、第1のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６を、光波の進行方向を基準とした場合において、相異なる位置に形成するようにしているので、これら光導波路の動作点シフトなどの光クロストークに起因した動作点シフトなどの諸特性を効果的に抑制することができる。なお、前記変調部とは、第１のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６が互いに略平行であって、変調用電極１５３及び１５４によって実際に変調を受ける領域である。

なお、基板１１は、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。

光導波路１２（１４１，１４２，１５１，１５２，１６１及び１６２）の形成方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、特許文献３のように基板１１の表面に光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。
特開平６−２８９３４１号公報

変調用電極１５３及び１５４、並びに１６３及び１６４は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。

なお、特に図示してないが、基板１１と変調用電極１５３及び１５４、並びに１６３及び１６４との間にはバッファ層を形成することもできる。これによって、光導波路を伝搬する光波が、変調用電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止することができる。また、前記変調用電極から印加される変調信号と、前記光導波路内を導波する光波との速度整合をも向上させることができる。

次に、本実施形態の光導波路素子の変調方法の一例について説明する。光導波路素子１０に対して入力光信号である周波数ω₀のレーザ光が入力されると、この光信号は光導波路１２中を伝搬した後、メインマッハツエンダー型光導波路１４のメイン光導波路１４１及び１４２に分岐される。その後、メイン光導波路１４１中を伝搬した光波は、サブマッハツエンダー型光導波路１５のサブ光導波路１５１及び１５２に分岐され、そこで周波数ωｃ ／２の変調信号が印加される。また、メイン光導波路１４２中を伝搬した光波は、サブ光導波路１６１及び１６２に分岐され、そこで周波数ω_０／２の変調信号が印加される。

その結果、上記周波数ωｃ／２の変調信号で変調された後の光波が合流して光導波路１２内を伝搬し、光導波路素子１０から出力されると、互いに周波数間隔がωｃだけ離隔した２つの光信号ω１及びω２が得られる。

なお、上記変調方法はあくまで一例であって、本実施形態における光導波路素子は用途に応じて任意の態様で使用することができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態における光導波路素子を示す平面図である。本実施形態において、第１の実施形態と同一及び類似の構成要素に関しては、同じ参照数字を用いて表している。

本実施形態の光導波路素子２０においては、メイン光導波路１４１が分岐してサブ光導波路１５１及び１５２を構成し、これらサブ光導波路によってサブマッハツエンダー型光導波路１５が構成されている。その後、サブ光導波路１５１及び１５２は再び合流してメイン光導波路１４１となり、メイン光導波路１４２と交差する。その後、メイン光導波路１４２が分岐してサブ光導波路１６１及び１６２を構成し、これらサブ光導波路によってサブマッハツエンダー型光導波路１６が構成されている。なお、図中の矢印は、光導波路中の光波の進行方向を示すものである。

本実施形態では、第１のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６は、メイン光導波路１４１及び１４２の前方及び後方に位置し、基板１１の長手方向（光波の進行方向）において重なり合わないようにして形成している。したがって、第1のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６を、光波の進行方向を基準とした場合において、相異なる位置に形成するようにしているので、これら光導波路の動作点シフトなどの光クロストークに起因した動作点シフトなどの諸特性を効果的に抑制することができる。

本実施形態における基板１１などは、上記第１の実施形態と同様に構成することができる。また、周波数ω₀の入力光信号に対する周波数ωｃ／２の変調信号による光変調も上記第１の実施形態と同様に実施することができる。

（第３の実施形態）
図３は、第２の実施形態における光導波路素子を示す平面図である。本実施形態において、第１の実施形態と同一及び類似の構成要素に関しては、同じ参照数字を用いて表している。

本実施形態の光導波路素子３０においては、基板１１の光波の入射側から延在したメイン光導波路１４１が分岐してサブ光導波路１５１及び１５２を構成し、これらサブ光導波路によってサブマッハツエンダー型光導波路１５が構成されている。その後、サブ光導波路１５１及び１５２は再び合流してメイン光導波路１４１となり、基板１１の前記光波の入射側と相対向する端部近傍で複数回屈曲することによって、基板１１の前記光波の入射側に向けて折り返すような構成となっている。

また、基板１１の光波の入射側から延在したメイン光導波路１４２はそのまま直進し、同じく基板１１の前記光波の入射側と相対向する端部近傍で複数回屈曲することによって、基板１１の前記光波の入射側に向けて折り返すような構成となっている。その後、メイン光導波路１４２は分岐してサブ光導波路１６１及び１６２を構成し、これらサブ光導波路によってサブマッハツエンダー型光導波路１６が構成されている。

本実施形態では、第１のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６は、見かけ上、基板１１の長手方向において並列に位置し、互いに重なり合うような形態を呈している。しかしながら、第1のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６を、光波の進行方向を基準とした場合においては、相異なる位置に形成するようにしているので、これら光導波路の動作点シフトなどの光クロストークに起因した動作点シフトなどの諸特性を効果的に抑制することができる。

本実施形態における基板１１などは、上記第１の実施形態と同様に構成することができる。また、周波数ω₀の入力光信号に対する周波数ωｃ／２の変調信号による光変調も上記第１の実施形態と同様に実施することができる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

本発明の第１の実施形態における光導波路素子の構成を示す平面図である。 第２の実施形態における光導波路素子を示す断面図である。 第３の実施形態における光導波路素子を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０ 光導波路素子
１１ 基板
１２ 光導波路
１４ メインマッハツエンダー型光導波路
１５ 第１のサブマッハツエンダー型光導波路
１６ 第２のサブマッハツエンダー型光導波路

Claims (6)

1. 電気光学効果を有する基板と、
   前記基板上に形成された光導波路と、
   前記光導波路内を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具え、
   前記光導波路は、前記光波の進行方向において少なくとも２つに分岐して少なくとも２本のメイン光導波路を構成し、各メイン光導波路は前記光波の前記進行方向においてさらに少なくとも２つに分岐して少なくとも２本のサブ光導波路を構成し、
   前記少なくとも２本のメイン光導波路は、メインマッハツエンダー型光導波路を構成するとともに、前記少なくとも２本のサブ光導波路は、前記メインマッハツエンダー型光導波路内に組み込まれるようにしてサブマッハツエンダー型光導波路を構成し、
   前記サブ光導波路から構成される前記サブマッハツエンダー型光導波路の全ては、前記光波の前記進行方向を基準とした場合に、前記全てのメイン光導波路間において互いに異なる位置に形成されていることを特徴とする、光導波路素子。
2. 前記少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路は、前記光波の前記進行方向において、少なくとも前記サブマッハツエンダー型光導波路の変調部が重なり合わないようにして形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記少なくとも２本のメイン光導波路は、前記基板の途中経路において互いに交差し、前記光波の進行方向において、前記少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路の少なくとも１つは、前記メイン光導波路の交点の前方に位置するとともに、前記少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路の残りは、前記メイン光導波路の交点の後方に位置することを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
4. 前記少なくとも２つのサブマッハツエンダー型光導波路は、前記光波の前記進行方向において並列に形成されるとともに、前記光波の前記進行方向において互いに前方及び後方に位置するようにして形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
5. 前記サブマッハツエンダー型光導波路は３つ以上であって、前記光波の前記進行方向において、少なくとも前記サブマッハツエンダー型光導波路の変調部が重なり合わないようにして形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
6. 電気光学効果を有する基板と、前記基板上に形成された光導波路と、前記光導波路内を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具え、
   前記光導波路は、前記光波の進行方向において少なくとも２つに分岐して少なくとも２本のメイン光導波路を構成し、各メイン光導波路は前記光波の前記進行方向においてさらに少なくとも２つに分岐して少なくとも２本のサブ光導波路を構成し、前記少なくとも２本のメイン光導波路は、メインマッハツエンダー型光導波路を構成するとともに、前記少なくとも２本のサブ光導波路は、前記メインマッハツエンダー型光導波路内に組み込まれるようにしてサブマッハツエンダー型光導波路を構成してなる光導波路素子において、
   前記サブ光導波路から構成される前記サブマッハツエンダー型光導波路の全てを、前記光波の前記進行方向を基準とした場合に、前記全てのメイン光導波路間において、前記サブマッハツエンダー型光導波路の変調部が重なり合わないようにして形成し、前記サブマッハツエンダー型光導波路間の光クロストークを抑止することを特徴とする、光導波路素子の光クロストーク抑止方法。

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