JP6232751B2

JP6232751B2 - 光変調器

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Publication number: JP6232751B2
Application number: JP2013115011A
Authority: JP
Inventors: 杉山　昌樹; 昌樹杉山
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: US9377665B2; US20140355924A1; JP2014235218A

Description

本件は、光変調器に関する。

ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）基板、ＬｉＴａＯ _３基板等の電気光学結晶を用いた光導波路デバイスが開発されている。これらの光導波路デバイスは、結晶基板上の一部にチタンなどの金属膜を形成し熱拡散させる、あるいはパターニング後に安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路を形成した後、光導波路近傍に電極を設けることで形成される。このような光導波路デバイスとして、例えばマッハツェンダ型光変調器があげられる（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２００９−１５７１１４号公報特開２００６−３０１６１２号公報特開２００６−１９５２５６号公報

マッハツェンダ型光変調器においては、光の分岐・合波のために２×２カプラを用いることがある。しかしながら、この場合、２×２カプラからの不要光、２×２カプラへのノイズ光等に起因して消光比が劣化するおそれがある。

１つの側面では、本件は、消光比の劣化を抑制することができる光変調器を提供することを目的とする。

１つの態様では、光変調器は、電気光学効果を有する基板を備え、前記基板は、２×２カプラの分岐部と、前記分岐部の出力導波路に接続される２つの中間導波路と、前記２つの中間導波路が接続される２×２カプラの合波部と、を備えるマッハツェンダ変調器を備え、前記２×２カプラの少なくとも一方の非結合導波路に沿って前記基板に溝が設けられ、前記非結合導波路と前記溝との距離は、前記非結合導波路の開放端に向かって連続的に小さくなる。

消光比の劣化を抑制することができる。

（ａ）は比較例１に係る光変調器を説明するための模式的な平面図であり、（ｂ）は比較例２に係る光変調器を説明するための模式的な平面図である。（ａ）は実施例１に係る光変調器を説明するための模式的な平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）は溝部の断面図である。光変調器の消光比の実験結果を表す図である。（ａ）は実施例２に係る光変調器を説明するための模式的な平面図であり、（ｂ）は実施例３に係る光変調器を説明するための模式的な平面図である。（ａ）は実施例４に係る光変調器を説明するための模式的な平面図であり、（ｂ）は非結合導波路付近の断面図である。（ａ）は実施例５に係る光変調器を説明するための模式的な平面図であり、（ｂ）は非結合導波路付近の断面図である。（ａ）は実施例６に係る光変調器を説明するための模式的な平面図であり、（ｂ）は非結合導波路付近の断面図である。（ａ）は実施例７に係る光変調器を説明するための模式的な平面図であり、（ｂ）は非結合導波路付近の断面図である。（ａ）は実施例８に係る光変調器を説明するための模式的な平面図であり、（ｂ）は非結合導波路付近の断面図である。（ａ）は実施例９に係る光変調器を説明するための模式的な平面図であり、（ｂ）は非結合導波路付近の断面図である。光送信機の全体構成を説明するためのブロック図である。

実施例の説明に先立って、マッハツェンダ変調器を備える光変調器について説明する。図１（ａ）は、比較例１に係る光変調器２００を説明するための模式的な平面図である。図１（ａ）を参照して、光変調器２００は、分岐部５０、第１マッハツェンダ変調器６０ａ、第２マッハツェンダ変調器６０ｂ、および合波部７０を備える。第１マッハツェンダ変調器６０ａは、分岐部６１ａ、中間導波路６２ａ，６３ａ、および合波部６４ａを備える。第２マッハツェンダ変調器６０ｂは、分岐部６１ｂ、中間導波路６２ｂ，６３ｂ，および合波部６４ｂを備える。

分岐部５０は、光変調器２００の入力端に設けられ、Ｙ字分岐する。分岐部６１ａは、分岐部５０の出力側の一方の分岐導波路に接続され、Ｙ字分岐する。分岐部６１ａの出力側の一方の分岐導波路は、中間導波路６２ａの一端に接続される。分岐部６１ａの出力側の他方の分岐導波路は、中間導波路６３ａの一端に接続される。中間導波路６２ａ，６３ａは、互いに平行に配置されている。中間導波路６２ａ，６３ａの他端は、合波部６４ａによってＹ字合流する。

分岐部６１ｂは、分岐部５０の出力側の他方の分岐導波路に接続され、Ｙ字分岐する。分岐部６１ｂの出力側の一方の分岐導波路は、中間導波路６２ｂの一端に接続される。分岐部６１ｂの出力側の他方の分岐導波路は、中間導波路６３ｂの一端に接続される。中間導波路６２ｂ，６３ｂは、互いに平行に配置されている。中間導波路６２ｂ，６３ｂの他端は、合波部６４ｂによってＹ字合流する。合波部６４ａによる合流後の導波路および合波部６４ｂによる合流後の導波路は、合波部７０によって合流する。

Ｙ字導波路が対称構造を有していない場合、多段にＹ字導波路が設けられている場合、入射端面または出射端面が斜めに配置されている場合等において、分岐比が１：１からはずれることがある。マッハツェンダ変調において、入力側のＹ字導波路と出力側のＹ字導波路とで分岐比が異なると、消光比が劣化するという問題が生じ得る。この問題を解消するために、分岐部および合波部として２×２カプラを用いることができる。

図１（ｂ）は、比較例２に係る光変調器２００ａを説明するための模式的な平面図である。図１（ｂ）を参照して、光変調器２００ａが光変調器２００と異なる点は、分岐部５０，６１ａ，６１ｂおよび合波部６４ａ，６４ｂ，７０として、Ｙ字導波路ではなく２×２カプラが用いられている点である。このような構成においては、導波路の角度、結合部の長さなどを調整することによって、分岐比を調整することができる。それにより、入力側と出力側とで分岐比を同じにすることが可能となる。その結果、上述した消光比の劣化の問題を解消することができる。

しかしながら、２×２カプラを用いると、結合されない導波路（以下、非結合導波路と称する）が開放状態となる。非結合導波路からの不要光、非結合導波路へのノイズ光などが消光比の劣化を招く。図１（ａ）の光変調器２００では、入力されるＣＷ光が入力端面で導波路に結合できない成分（損失）が散乱光となっても、Ｙ字の分岐部５０，６１ａ，６１ｂには混入しない。また、変調に伴って発生するＯＦＦ光（放射光）は基板方向へと離れていくので出力光には混入しない。一方で、図１（ｂ）の光変調器２００ａでは、入力端での散乱光の一部が２×２カプラの非結合導波路から混入し、２×２カプラの非結合導波路から出射されるＯＦＦ光が基板表面付近を伝播して出力光に混入することがある。そのため、消光比が劣化するという問題が生じる。この問題は、光変調器２００ａのようにマッハツェンダ変調器が２段に構成された場合に顕著となり、３段、４段とさらに多段化された場合にはより大きな問題となり得る。そこで、以下の実施例では、消光比の劣化を抑制することができる光変調器について説明する。

図２（ａ）は、実施例１に係る光変調器１００を説明するための模式的な平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図２（ｃ）は、後述する溝部２５の断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して、光変調器１００は、分岐部１０、第１マッハツェンダ変調器２０ａ、第２マッハツェンダ変調器２０ｂ、および合波部３０が形成された基板４０を備える。基板４０は、ＬｉＮｂＯ _３（ＬＮ）基板、ＬｉＴａＯ _３基板等の電気光学結晶を用いた電気光学基板である。分岐部１０、第１マッハツェンダ変調器２０ａ、第２マッハツェンダ変調器２０ｂ、および合波部３０は、基板４０にＴｉ（チタン）等の金属を熱拡散させることによって形成される。

第１マッハツェンダ変調器２０ａは、分岐部２１ａ、中間導波路２２ａ，２３ａ、および合波部２４ａを備える。第２マッハツェンダ変調器２０ｂは、分岐部２１ｂ、中間導波路２２ｂ，２３ｂ，および合波部２４ｂを備える。分岐部１０は、２×２カプラである。分岐部１０の一方の入力導波路は、光変調器１００の入力端に設けられている。

分岐部２１ａ，２１ｂは、２×２カプラである。分岐部１０の出力側の一方の分岐導波路は、分岐部２１ａの入力側の一方の入力導波路に接続されている。分岐部１０の出力側の他方の分岐導波路は、分岐部２１ｂの入力側の一方の入力導波路に接続されている。分岐部２１ａの出力側の一方の分岐導波路は、中間導波路２２ａの一端に接続されている。分岐部２１ａの出力側の他方の分岐導波路は、中間導波路２３ａの一端に接続されている。分岐部２１ｂの出力側の一方の分岐導波路は、中間導波路２２ｂの一端に接続されている。分岐部２１ｂの出力側の他方の分岐導波路は、中間導波路２３ｂの一端に接続されている。

合波部２４ａは、２×２カプラである。中間導波路２２ａの他端は、合波部２４ａの入力側の一方の入力導波路に接続されている。中間導波路２３ａの他端は、合波部２４ａの入力側の他方の入力導波路に接続されている。合波部２４ｂは、２×２カプラである。中間導波路２２ｂの他端は、合波部２４ｂの入力側の一方の入力導波路に接続されている。中間導波路２３ｂの他端は、合波部２４ｂの入力側の他方の入力導波路に接続されている。

合波部３０は、２×２カプラである。合波部２４ａの出力側の一方の分岐導波路は、合波部３０の入力側の一方の入力導波路に接続されている。合波部２４ｂの出力側の一方の分岐導波路は、合波部３０の入力側の他方の入力導波路に接続されている。合波部３０の出力側の一方の分岐導波路は、光変調器１００の変調光出力用の出力端に接続されている。合波部３０の出力側の他方の分岐導波路は、開放されていてもよいが、本実施例においては光変調器１００のモニタ用の出力端に接続されている。

図２（ｂ）を参照して、基板４０の導波路側の面には、バッファ層４１が設けられている。それにより、光変調器１００の各導波路は、バッファ層４１によって覆われている。バッファ層４１は、導波路を伝播する光が後述する電極によって吸収されることを防ぐために設けられている。バッファ層４１は、例えば、厚さ０．２μｍ〜２μｍ程度のＳｉＯ_２等である。

中間導波路２２ａ上には、バッファ層４１を介して、信号電極４２が設けられている。中間導波路２３ａ上には、バッファ層４１を介して、接地電極４３が設けられている。それにより、信号電極４２および接地電極４３は、コプレーナ電極を構成する。また、中間導波路２２ｂ上には、バッファ層４１を介して、信号電極４４が設けられている。中間導波路２３ｂ上には、バッファ層４１を介して、接地電極４５が設けられている。それにより、信号電極４４および接地電極４５は、コプレーナ電極を構成する。基板４０としてＺカット基板を用いる場合には、Ｚ方向の電解に起因する屈折率変化を利用するために、信号電極４２，４４および接地電極４３，４５は、中間導波路の真上に配置される。

第１マッハツェンダ変調器２０ａにおいては、信号電極４２および接地電極４３の終端を抵抗で接続することによって進行波電極を構成し、進行波電極の入力側からマイクロ波信号を印加する。この場合、電界によって中間導波路２２ａ，２３ａの屈折率が一例として＋Δｎ、−Δｎのように変化する。それにより、中間導波路２２ａ，２３ａ間の位相差が変化するため、マッハツェンダ干渉が生じる。その結果、合波部２４ａから、強度変調された信号光が出力される。電極の断面形状を変化させることでマイクロ波の実効屈折率を制御し、光の速度とマイクロ波の速度とを整合させることによって高速の光応答特性を得ることができる。第２マッハツェンダ変調器２０ｂにおいても、信号電極４４および接地電極４５の終端を抵抗で接続することによって進行波電極を構成し、進行波電極の入力側からマイクロ波信号を印加する。それにより、合波部２４ｂから、強度変調された光信号が出力される。

第１マッハツェンダ変調器２０ａおよび第２マッハツェンダ変調器２０ｂの出力信号は、合波部３０で合波されて出力される。第１マッハツェンダ変調器２０ａおよび第２マッハツェンダ変調器２０ｂをそれぞれ異なる信号で駆動し、両変調器の出力光の位相が互いに９０度異なるように調整することで、ＱＰＳＫ信号を生成することができる。

本実施例においては、分岐部１０，２１ａ，２１ｂおよび合波部２４ａ，２４ｂ，３０として、Ｙ字導波路ではなく２×２カプラが用いられている。この場合、導波路の角度、結合部の長さなどを調整することによって、分岐比を調整することができる。それにより、入力側と出力側とで分岐比を同じにすることが可能となる。その結果、分岐比に起因する消光比の劣化を抑制することができる。

また、本実施例においては、図２（ｃ）を参照して、分岐部１０、２１ａ，２１ｂおよび合波部２４ａ，２４ｂの非結合導波路４６に、溝部２５を設ける。具体的には、溝部２５に非結合導波路４６の開放端を横切らせる。この場合、非結合導波路４６とバッファ層４１との屈折率差、非結合導波路４６と空気との屈折率差などに起因して、非結合導波路４６と溝部２５との間で光の散乱が生じる。例えば、非結合導波路４６から出力される光または非結合導波路４６に入力される光が溝部２５と非結合導波路４６との界面で反射される。すなわち、溝部２５は、非結合導波路４６からの出力光および非結合導波路４６への入力光の向きを、マッハツェンダ変調器の延伸方向と異なる向きに変化させる。その結果、溝部２５は、非結合導波路４６からの出力光および非結合導波路４６への入力光の、マッハツェンダ変調器の延伸方向のパワーを抑制する抑制部として機能する。具体的には、非結合導波路４６にノイズ光が入射することが抑制され、非結合導波路４６からの放射光が信号光に再混入することが抑制される。その結果、消光比の劣化を抑制することができる。本実施例においては、マッハツェンダ変調器の延伸方向とは、中間導波路２２ａ，２３ａ，２２ｂ，２３ｂの延伸方向と一致する。なお、マッハツェンダ変調器の延伸方向のパワーとは、マッハツェンダ変調器の各中間導波路が形成する面に投影させた光のパワーのうちマッハツェンダ変調器の延伸方向のパワーである。

なお、溝部２５は、非結合導波路４６の延伸方向と垂直をなすように形成されていてもよいが、溝部２５での反射戻り光を抑制する場合には、図２（ｃ）のように、溝部２５を非結合導波路４６の延伸方向に対して斜めに形成してもよい。

図３は、光変調器１００の消光比の実験結果を表す図である。比較のために、比較例２に係る光変調器２００ａの消光比の実験結果も併せて表す。図３を参照して、光変調器１００では、光変調器２００ａと比較して、広い波長範囲において良好な消光比を有している。

図４（ａ）は、実施例２に係る光変調器１００ａを説明するための模式的な平面図である。図４（ａ）を参照して、光変調器１００ａが図２（ａ）の光変調器１００と異なる点は、溝部２５が非結合導波路の延伸方向に対して斜めに横切る点である。この構成により、溝部２５で反射する光の非結合導波路への戻りを抑制することができる。

図４（ｂ）は、実施例３に係る光変調器１００ｂを説明するための模式的な平面図である。図４（ｂ）を参照して、光変調器１００ｂが図２（ａ）の光変調器１００と異なる点は、溝部２５が形成されておらず、２×２カプラの開放状態の非結合導波路に曲り導波路２６が設けられている点である。この曲り導波路２６は、マッハツェンダ変調器の延伸方向と異なる方向に曲がっている。

本実施例によれば、曲り導波路２６は、非結合導波路４６からの出力光および非結合導波路４６への入力光の向きを、マッハツェンダ変調器の延伸方向と異なる向きに変化させる。それにより、曲り導波路２６は、非結合導波路４６からの出力光および非結合導波路４６への入力光の、マッハツェンダ変調器の延伸方向のパワーを抑制する抑制部として機能する。この構成によれば、非結合導波路４６と入出力ファイバとの光結合を抑制することができる。なお、曲り導波路２６の延伸方向は、基板４０の側面を向いていることが好ましい。非結合導波路４６と入出力ファイバとの光結合をより抑制することができるからである。ここで、基板４０の端面とは、入力端または出力端が位置する面のことであり、基板４０の上下面とは、バッファ層４１が設けられている面及び当該面に対向する面であり、側面とは、それら以外の面である。一例として、基板４０において、側面は端面と９０°をなす。なお、開放端からの放射光がチップ内を伝搬することを抑制するために、曲り導波路２６の延伸方向とチップ端面とのなす角度θが全反射角よりも小さいことが好ましい。

短い距離で光の向きを変えるには、曲り導波路のＲ（半径）を小さくすることが好ましい。しかしながら、Ｒが小さいと曲り導波路で光が放射し、十分な効果が得られなくなる。そこで、実施例４では、曲り導波路の外周に沿って溝部を設ける。

図５（ａ）は、実施例４に係る光変調器１００ｃを説明するための模式的な平面図である。図５（ｂ）は、非結合導波路付近の断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して、光変調器１００ｃが図４（ｂ）の光変調器１００ｂと異なる点は、曲り導波路２６の外周に沿って溝部２５が設けられている点である。
この構成によれば、曲り導波路２６での光放射を抑制しつつ、曲り導波路２６のＲを小さくすることができる。

図６（ａ）は、実施例５に係る光変調器１００ｄを説明するための模式的な平面図である。図６（ｂ）は、非結合導波路付近の断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、光変調器１００ｄが図２（ａ）の光変調器１００と異なる点は、溝部２５が非結合導波路４６を横切らずに、非結合導波路４６に沿って設けられている点である。この構成によれば、溝部２５によって解放端近傍での光損失が増大する。すなわち、溝部２５は、非結合導波路４６からの出力光および非結合導波路４６への入力光の少なくとも一部を吸収する。それにより、溝部２５は、非結合導波路からの出力光および非結合導波路への入力光の、マッハツェンダ変調器の延伸方向のパワーを抑制する抑制部として機能する。この場合、モードフィールドが変形し、放射光との結合が低減される。それにより、放射光が信号光に混入することが抑制される。

図６（ａ）の光変調器１００ｄにおいて、溝部２５の開始点での散乱が悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、溝部２５の開始点付近で非結合導波路４６から溝部２５までの距離が連続的に変化するようにしてもよい。図７（ａ）は、実施例６に係る光変調器１００ｅを説明するための模式的な平面図である。図７（ｂ）は、非結合導波路４６付近の断面図である。図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して、光変調器１００ｅが図５（ａ）の光変調器１００ｃと異なる点は、溝部２５が開放端付近の非結合導波路４６に沿って設けられるとともに、溝部２５の開始点付近で非結合導波路４６から溝部２５までの距離が連続的に小さくなっている点である。この構成によれば、溝部２５の開始点での散乱の影響を抑制することができる。

図８（ａ）は、実施例７に係る光変調器１００ｆを説明するための模式的な平面図である。図８（ｂ）は、非結合導波路付近の断面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）を参照して、光変調器１００ｆが図２（ａ）の光変調器１００と異なる点は、光損失を増大させるための構成として、開放端付近の導波路上にバッファ層４１を介して光吸収材２７が設けられている点である。

光吸収材２７は、非結合導波路４６を伝搬する光を吸収する。それにより、光吸収材２７は、非結合導波路からの出力光および非結合導波路への入力光の、マッハツェンダ変調器の延伸方向のパワーを抑制する抑制部として機能する。光吸収材２７として、半導体、金属材料などを用いることができる。また、光吸収材２７として、信号電極４２，４４および接地電極４３，４５と同じ材料を用いてもよい。この場合、一度の工程で、信号電極４２，４４と、接地電極４３，４５と、光吸収材２７とを形成することができる。すなわち、コストを抑制することができる。

図９（ａ）は、実施例８に係る光変調器１００ｇを説明するための模式的な平面図である。図９（ｂ）は、非結合導波路付近の断面図である。図９（ａ）および図９（ｂ）を参照して、光変調器１００ｇが図８（ａ）の光変調器１００ｆと異なる点は、光吸収材２７と非結合導波路４６との間においてバッファ層４１が設けられていない点である。この構成によれば、光吸収材２７による損失を大きくすることができる。

図１０（ａ）は、実施例９に係る光変調器１００ｈを説明するための模式的な平面図である。図１０（ｂ）は、非結合導波路付近の断面図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照して、光変調器１００ｈが図６（ａ）の光変調器１００ｄと異なる点は、光吸収材２７が非結合導波路４６上に設けられるとともに、溝部２５を覆うように設けられている点である。この構成によれば、溝部２５および光吸収材２７における損失を増大させることができる。なお、光吸収材２７と非結合導波路４６との間において、バッファ層４１が設けられていないことが好ましい。

（光送信機の例）
図１１は、光送信機３００の全体構成を説明するためのブロック図である。図１１を参照して、光送信機３００は、発光素子３１０、光変調器３２０、データ生成回路３３０、ドライバ３４０などを備える。発光素子３１０は、半導体レーザなどである。光変調器３２０は、上記各実施例のいずれかの光変調器である。データ生成回路３３０は、光送信機３００によって出力される信号データを生成する。ドライバ３４０は、データ生成回路３３０が生成する信号データが実現されるように、光変調器３２０を駆動する。光送信機３００によって出力された光変調信号は、光ファイバ等を介して外部に出力される。光変調器３２０は高消光比を有することから、光送信機３００は、高特性光信号を出力することができる。

なお、上記各実施例においては、２つのマッハツェンダ変調器が並列配置された構成について説明したが、マッハツェンダ変調器は１つでもよい。この場合、分岐部および合波部として機能する２×２カプラの少なくとも一方の非結合導波路からの出力光および非結合導波路への入力光の、マッハツェンダ変調器の延伸方向のパワーを抑制する抑制部を設ければよい。また、３つ以上のマッハツェンダ変調器が設けられていてもよい。この場合、分岐部および合波部として機能する２×２カプラのいずれかの非結合導波路からの出力光および非結合導波路への入力光の、マッハツェンダ変調器の延伸方向のパワーを抑制する抑制部を設ければよい。また、分岐部または合波部として機能する２×２カプラが複数設けられている場合には、少なくとも１つの２×２カプラの非結合導波路に上記抑制部が設けられていればよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０分岐部
２０マッハツェンダ変調器
２１分岐部
２２，２３中間導波路
２４合波部
３０合波部
４０基板
４１バッファ層
４２，４４信号電極
４３，４５接地電極
４６非結合導波路
１００光変調器

Claims

電気光学効果を有する基板を備え、
前記基板は、２×２カプラの分岐部と、前記分岐部の出力導波路に接続される２つの中間導波路と、前記２つの中間導波路が接続される２×２カプラの合波部と、を備えるマッハツェンダ変調器を備え、
前記２×２カプラの少なくとも一方の非結合導波路に沿って前記基板に溝が設けられ、
前記非結合導波路と前記溝との距離は、前記非結合導波路の開放端に向かって連続的に小さくなることを特徴とする光変調器。