JP6233366B2

JP6233366B2 - 光変調装置

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Publication number: JP6233366B2
Application number: JP2015159521A
Authority: JP
Inventors: 土居　正治; 正治土居
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: US9709743B2; JP2017037253A; US20170045688A1

Description

本発明は、光変調装置に関する。

一般に、光伝送システムにおいては、例えば、基板（光変調チップ）上に形成されたマッハツェンダ型干渉計を用いて光変調を行う光変調器が用いられることがある。マッハツェンダ型干渉計を用いた光変調器では、光変調器に入力された光ビームが２つの光ビームに分岐され、それぞれの光ビームに電気信号が重畳される。電気信号が重畳されたこれら２つの光ビームは、光変調チップ内で合成された後に外部へ出力される。光変調チップとしては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）基板が使用される。

近年、光信号の高速化の目的で、偏波多重の変調方式が用いられることがある。この変調方式の場合、１つの光入力が光変調器チップ内で２つの光（光ビーム）に分岐され、これら分岐されたそれぞれの光に対して変調が行われる。つまり、１つの光変調器チップ（基板）上に２つの光変調部が形成される。光変調が行われた２つの光ビームは、光変調器チップから外部に出力された後、合成され、光変調チップの長手方向に沿って配置された光ファイバに出力される。

２つの光ビームを合成するには、偏波回転素子と偏波合成素子とを備える偏波結合器が用いられることがある。偏波結合器は、併進する２つの光ビームの一方の偏波方向を例えば波長板などの偏波回転素子によって回転させ、偏波方向が互いに直交する２つの光ビームを例えばＰＢＣ（Polarization Beam Combiner）プリズムなどの偏波合成素子によって合成する。

特開昭６３−１８３４０２号公報

上述した偏波結合器を光変調器に適用する場合、偏波結合器は、光変調チップから出力される２つの光ビームを合成して、得られた１つの光ビームを基板の長手方向に沿って配置された光ファイバへ出力する。このため、基板の長手方向に沿って、偏波結合器や光ファイバを配置するためのスペースが発生することとなり、光変調器を十分に小型化することが困難となる。

これに対して、光ファイバを基板の短手方向に沿って配置する構造が考えられる。この構造では、例えば図７に示すように、光変調チップ５００と偏波結合器６００との間にミラー７００が配置され、光変調チップ５００から出力される２つの光ビームはミラー７００によって基板の短手方向へ反射された後、偏波結合器６００へ入力される。そして、偏波結合器６００は、ミラー７００によって基板の短手方向へ反射された２つの光ビームを合成し、得られた１つの光ビームを、基板の短手方向に沿って配置された光ファイバへ出力する。

しかしながら、光変調チップと偏波結合器との間に、偏波結合器とは別部品であるミラーが配置される場合、部品点数が増加し、光変調器の小型化が阻害されてしまう。光変調器の小型化が阻害されると、光送受信機等の他のデバイスに光変調器を収納することが困難となるので、光変調器の小型化を促進することが期待されている。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、部品点数の削減により装置の小型化を促進することができる光変調装置を提供することを目的とする。

本願の開示する光変調装置は、一つの態様において、変調部と、光ファイバと、合成部とを有する。前記変調部は、光に電気信号を重畳し、それぞれ電気信号が重畳された第１及び第２の光ビームを第１の方向へ出力する。前記光ファイバは、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って配置される。前記合成部は、前記変調部によって出力される第１及び第２の光ビームを合成して前記光ファイバへ出力する。前記合成部は、偏波回転素子と、偏波合成素子とを有する。前記偏波回転素子は、前記第１の光ビームの偏波方向を回転させる。前記偏波合成素子は、前記偏波回転素子によって偏波方向が回転した前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとを前記第２の方向へ反射させ、前記第２の方向へ反射された前記第１及び前記第２の光ビームを合成する。

本願の開示する光変調装置の一つの態様によれば、部品点数の削減により装置の小型化を促進することができるという効果を奏する。

図１は、実施例１に係る光変調器の構成を示す上面図である。図２は、実施例１に係る偏波結合器の構成を示す上面図である。図３は、実施例１に係る光変調器の光送受信機への収納態様を説明するための図である。図４は、実施例２に係る偏波結合器の構成を示す上面図である。図５は、実施例３に係る偏波結合器の構成を示す上面図である。図６は、変形例に係る光変調器の構成を示す上面図である。図７は、光変調チップと偏波結合器とミラーとの位置関係の一例を示す図である。

以下に、本願の開示する光変調装置の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する光変調装置が限定されるものではない。

図１は、実施例１に係る光変調器の構成を示す上面図である。図１に示すように、光変調器１は、光変調チップ１０を有する。光変調チップ１０は、基板１１上に形成された光導波路１２近傍に、電極１３が設けられることで形成される。基板１１は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）により形成されており、ＬＮ基板とも呼ばれる。また、光導波路１２は、Ｔｉ等の金属膜を形成して熱拡散させる、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、ことにより形成される。光導波路１２は、マッハツェンダ型干渉計を形成し、電極１３は、マッハツェンダの導波路上に設けられている。

また、電極１３は、ｚ軸方向の電界による屈折率変化を利用するため、光導波路１２の真上に配置される。電極１３は、例えば、光導波路１２上に、信号電極と接地電極とがパターニングされることにより形成されるコプレーナ電極である。光変調器チップ１０は、光導波路１２中を伝搬する光が上記信号電極と接地電極とにより吸収されるのを防ぐため、基板１１と電極１３との間にバッファ層を有する。バッファ層は、例えば、ＳｉＯ_２等により形成される。

光変調器１では、光変調チップ１０等の部品を収容するパッケージ１４に、中継基板１５を介して、コネクタ１６が設けられている。コネクタ１６は、光導波路１２を伝搬する光を変調するための電気信号を電極１３へ入力させる。

また、光変調器１では、図１に示すように、光変調チップ１０の前段側に、光ファイバ１７及びフェルール部材１８が配置されている。光ファイバ１７は、基板１１の短手方向に沿って配置され、光源からの光をフェルール部材１８へ伝送する。フェルール部材１８は、光ファイバ１７から入力される光を基板１１の長手方向に反射するとともに、反射された光を集光して、得られた光ビームを光変調チップ１０へ入力する。なお、以下では、基板１１の長手方向を「方向Ｘ」と表記し、基板１１の短手方向を「方向Ｙ」と表記する。方向Ｘは、第１の方向の一例であり、方向Ｙは、第１の方向と交差する第２の方向の一例に相当する。

光変調チップ１０は、フェルール部材１８から入力される光ビームを光導波路１２によって２つに分岐し、電極１３によってそれぞれの光ビームに電気信号を重畳する。そして、光変調チップ１０は、それぞれ電気信号が重畳された２つの光ビームを基板の長手方向、すなわち、方向Ｘへ出力する。

また、光変調器１では、図１に示すように、光変調チップ１０の後段側に、コリメートレンズ１９、偏波結合器１００、集光レンズ２０、レンズホルダ２１、フェルール２２及び光ファイバ２３が配置されている。なお、コリメートレンズ１９及び偏波結合器１００は、パッケージ１４の内部に収容され、集光レンズ２０、レンズホルダ２１、フェルール２２及び光ファイバ２３は、パッケージ１４の外部に配置されている。

コリメートレンズ１９は、光変調チップ１０によって電気信号が重畳された光ビームをコリメートした後、偏波結合器１００へ向けて出力する。すなわち、コリメートレンズ１９は、コリメートされた２つの併進する光ビームを偏波結合器１００へ出力する。コリメートレンズ１９が出力する２つの光ビームの偏波方向は同一である。

偏波結合器１００は、コリメートレンズ１９から出力される２つの光ビームを合成し、偏波方向が直交する２つの偏波を含む光ビームを集光レンズ２０を介して光ファイバ２３へ出力する。すなわち、偏波結合器１００は、コリメートレンズ１９から出力される一方の光ビームの偏波方向を回転させた後、他方の光ビームと合成し、得られた１つの光ビームを光ファイバ２３へ出力する。本実施例においては、偏波方向が直交する２つの光ビームを合成する機能と、合成済みの光ビームを基板の短手方向に配置された光ファイバへ出力する機能とを１つの偏波結合器１００で兼用することが可能である。結果として、光変調チップ１０と偏波結合器１００との間に偏波結合器１００とは別部材であるミラーが配置される構造と比較して、部品点数を削減し、光変調器１の小型化を促進することが可能である。偏波結合器１００は、合成部の一例である。偏波結合器１００の具体的な構成については、後に詳述する。

集光レンズ２０は、偏波結合器１００から出力される１つの光ビームを光ファイバ２３へ集光する。レンズホルダ２１は、集光レンズ２０をパッケージ１４に固定する。フェルール２２は、光ファイバ２３をレンズホルダ２１に固定する。

光ファイバ２３は、基板１１の短手方向、すなわち、方向Ｙに沿って配置され、集光レンズ２０によって光ビームが集光されて得られる信号光を後段側のデバイスに伝送する。

次に、図２を参照して、図１に示した偏波結合器１００の構成を説明する。図２は、実施例１に係る偏波結合器の構成を示す上面図である。図２に示すように、偏波結合器１００は、波長板２１０と、ＰＢＣプリズム２２０とを有する。

波長板２１０は、例えば水晶から形成され、光変調チップ１０から出力される一方の光ビームの偏波方向を９０度回転させる１／２波長板である。すなわち、波長板２１０は、光変調チップ１０から出力される２つの光ビームのうち一方の偏波方向を回転させる偏波回転素子として機能する。

ＰＢＣプリズム２２０は、例えば石英ガラスから形成され、光変調チップ１０から方向Ｘに沿って出力される２つの光ビームを方向Ｙへ反射させ、方向Ｙへ反射された２つの光ビームを合成する。具体的には、ＰＢＣプリズム２２０は、波長板２１０を通過して入射する光ビーム３０１を表面で反射させて方向Ｙへ直進させ、波長板２１０を通過せずに入射する光ビーム３０２を内部で反射させて方向Ｙへ直進させ、２つの光ビーム３０１，３０２を合成する。すなわち、ＰＢＣプリズム２２０は、光変調チップ１０から方向Ｘへ出力される２つの光ビームを合成して方向Ｙへ出力する偏波合成素子として機能する。

ＰＢＣプリズム２２０は、第１のプリズム２２１と、第２のプリズム２２３とを有する。第１のプリズム２２１には、方向Ｘに対して傾斜する傾斜面２２１ａ，２２１ｂが形成され、かつ、波長板２１０が固定される。第２のプリズム２２３は、第１のプリズム２２１の傾斜面２２１ｂに偏光分離膜２２２を介して接合される。偏光分離膜２２２は、例えば誘電体多層膜等から形成されており、所定の偏波方向の光ビームを反射する一方で、この光ビームと偏波方向が直交する光ビームを透過させる。

このような構成において、光変調チップ１０から出力される２つの光ビームのうち光ビーム３０１は、波長板２１０を通過した後にＰＢＣプリズム２２０へ入射し、光ビーム３０２は、波長板２１０を通過せずにＰＢＣプリズム２２０へ直接入射する。そして、波長板２１０を通過した光ビーム３０１は、第１のプリズム２２１の傾斜面２２１ａにおいて方向Ｙへ反射する。ここで、光ビーム３０１の偏波方向が波長板２１０によって９０度回転することにより、ＰＢＣプリズム２２０に入射する時点では、光ビーム３０１の偏波方向と光ビーム３０２の偏波方向とは互いに直交している。このため、光ビーム３０１は、第１のプリズム２２１の傾斜面２２１ａにおいて方向Ｙへ反射した後、偏光分離膜２２２を透過する一方、光ビーム３０２は、偏光分離膜２２２において方向Ｙへ反射した後、偏光分離膜２２２を透過する光ビーム３０１と合成される。結果として、偏波方向が互いに直交する光ビーム３０１，３０２が合成されることによって得られる１つの光ビームが、集光レンズ２０を介して光ファイバ２３へ出力される。

次に、図３を参照して、光変調器１の光送受信機Ｍへの収納態様を説明する。図３は、実施例１に係る光変調器の光送受信機への収納態様を説明するための図である。

図３に示す光変調器１では、偏波結合器１００が、偏波結合器１００とは別部材であるミラーを用いることなく、光変調チップ１０から出力される２つの光ビームを合成して、方向Ｙに沿って配置される光ファイバ２３へ出力する。すなわち、図７に示す従来の光変調器では、光変調チップ５００と偏波結合器６００との間にミラー７００が配置される。そして、従来の光変調器では、光変調チップ５００から出力される２つの光ビームはミラー７００によって基板の短手方向へ反射された後、偏波結合器６００へ入力される。そして、偏波結合器６００は、ミラー７００によって短手方向へ反射された２つの光ビームを合成し、得られた１つの光ビームを、基板の短手方向に沿って配置された光ファイバへ出力する。このため、従来の光変調器では、ミラー７００が存在することによって部品点数が増加し、装置が大型化することがあった。結果として、光変調器が光送受信機Ｍの内部空間Ｓに収納されない恐れがあった。

これに対して、本実施例の光変調器１では、偏波方向が直交する２つの光ビームを合成する機能と、合成済みの光ビームを基板の短手方向、つまり、方向Ｙに配置された光ファイバ２３へ出力する機能とを１つの偏波結合器１００で兼用する。これにより、光変調器１０から出力される２つの光ビームを方向Ｙへ反射するためのミラーが省略されるので、光変調器１が大型化することが回避される。結果として、光変調器１は、図３に示すように、光送受信機Ｍの内部空間Ｓに収納される。

以上のように、本実施例によれば、偏波結合器１００が、光変調チップ１０から出力される一方の光ビームの偏波方向を回転させた後、他方の光ビームと合成し、得られた１つの光ビームを基板の短手方向に沿って配置された光ファイバへ出力する。すなわち、偏波結合器１００は、光変調チップ１０から出力される一方の光ビームの偏波方向を波長板２１０によって回転させ、偏波方向が互いに直交する２つの光ビームをＰＢＣプリズム２２０によって基板の短手方向へ反射させて合成する。このため、偏波方向が直交する２つの光ビームを合成する機能と、合成済みの光ビームを基板の短手方向に配置された光ファイバへ出力する機能とを１つの偏波結合器１００で兼用することが可能である。結果として、部品点数の削減により装置の小型化を促進することができる。

実施例２の特徴は、ＰＢＣプリズムの第１のプリズムの傾斜面にベース部材を接合し、波長板を第１のプリズム及びベース部材に固定することで、波長板の固定面を広くして、波長板を確実に固定する点である。

実施例２に係る光変調器の構成は、実施例１に係る光変調器１の構成と同様であるため、その説明を省略する。実施例２においては、偏波結合器１００の構成が実施例１とは異なる。

図４は、実施例２に係る偏波結合器の構成を示す上面図である。図４において、図２と同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図４に示すように、ＰＢＣプリズム２２０の第１のプリズム２２１の傾斜面２２１ａに全反射膜を介してベース部材２３０が接合される。そして、波長板２１０は、第１のプリズム２２１及びベース部材２３０に固定される。

このような構成において、光変調チップ１０から出力される２つの光ビームのうち光ビーム３０１は、波長板２１０を通過した後にＰＢＣプリズム２２０へ入射し、光ビーム３０２は、波長板２１０を通過せずにＰＢＣプリズム２２０へ直接入射する。そして、波長板２１０を通過した光ビーム３０１は、第１のプリズム２２１の傾斜面２２１ａ上の全反射膜において方向Ｙへ反射する。ここで、光ビーム３０１の偏波方向が波長板２１０によって９０度回転することにより、ＰＢＣプリズム２２０に入射する時点では、光ビーム３０１の偏波方向と光ビーム３０２の偏波方向とは互いに直交している。このため、光ビーム３０１は、第１のプリズム２２１の傾斜面２２１ａ上の全反射膜において方向Ｙへ反射した後、偏光分離膜２２２を透過する。一方、光ビーム３０２は、偏光分離膜２２２において方向Ｙへ反射した後、偏光分離膜２２２を透過する光ビーム３０１と合成される。結果として、偏波方向が互いに直交する光ビーム３０１，３０２が合成されることによって得られる１つの光ビームが、集光レンズ２０を介して光ファイバ２３へ出力される。

以上のように、本実施例によれば、偏波結合器１００が、ＰＢＣプリズムの第１のプリズムの傾斜面にベース部材を接合し、波長板を第１のプリズム及びベース部材に固定する。このため、装置の小型化に伴って偏波結合器１００自体が小型化されても、波長板の固定面を広くすることができ、波長板を強固に固定することができる。

実施例３の特徴は、ＰＢＣプリズムの第１のプリズムの傾斜面に波長板を固定することで、波長板の固定面を広くして、波長板を確実に固定する点である。

実施例３に係る光変調器の構成は、実施例１に係る光変調器１の構成と同様であるため、その説明を省略する。実施例３においては、偏波結合器１００の構成が実施例１とは異なる。

図５は、実施例３に係る偏波結合器の構成を示す上面図である。図５において、図２と同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図５に示すように、ＰＢＣプリズム２２０の第１のプリズム２２１の傾斜面２２１ａに無反射膜を介して波長板２１０が固定される。波長板２１０は、自身を通過する光ビームの偏波方向を９０度回転させ、偏波方向が回転した光ビームを、第１のプリズム２２１の傾斜面２２１ａ上の無反射膜とは反対側の面において、反射する。

このような構成において、光変調チップ１０から出力される光ビーム３０１，３０２は、ＰＢＣプリズム２２０へ直接入射する。そして、光ビーム３０１は、波長板２１０を通過しつつ、波長板２１０の無反射膜とは反対側の面において方向Ｙへ反射する。ここで、光ビーム３０１の偏波方向が波長板２１０によって９０度回転することにより、ＰＢＣプリズム２２０の偏光分離膜２２２に入射する時点では、光ビーム３０１の偏波方向と光ビーム３０２の偏波方向とは互いに直交している。このため、光ビーム３０１は、波長板２１０の無反射膜とは反対側の面において方向Ｙへ反射した後、偏光分離膜２２２を透過する。一方、光ビーム３０２は、偏光分離膜２２２において方向Ｙへ反射した後、偏光分離膜２２２を透過する光ビーム３０１と合成される。結果として、偏波方向が互いに直交する光ビーム３０１，３０２が合成されることによって得られる１つの光ビームが、集光レンズ２０を介して光ファイバ２３へ出力される。

以上のように、本実施例によれば、偏波結合器１００が、ＰＢＣプリズムの第１のプリズムの傾斜面に波長板を固定する。このため、装置の小型化に伴って偏波結合器１００自体が小型化されても、波長板の固定面を広くして、波長板を強固に固定することができる。

これまで本願の開示する光変調器の実施例について説明したが、上述した実施例以外にも種々の異なる形態にて実施されてもよいものである。そこで、以下では実施例４として実施例の変形例を説明する。

上記実施例１〜３では、偏波結合器１００がパッケージ１４の内部に収容される例を示したが、開示技術はこれには限られない。図６は、変形例に係る光変調器の構成を示す上面図である。例えば、偏波結合器１００は、図６に示すように、集光レンズ２０と共にレンズホルダ２１の内部に収容されてもよい。この場合、レンズホルダ２１は、パッケージ１４の側壁のうち光変調チップ１０の後段側に位置する側壁１４ａに固定され、コリメートレンズ１９は、側壁１４ａに形成された窓から、２つの光ビームを偏波結合器１００へ出力する。この構成により、パッケージ１４の側壁１４ａに対してレンズホルダ２１を移動させることによって、コリメートレンズ１９と偏波結合器１００との位置を容易に調整することが可能となる。

１光変調器
１０光変調チップ
１１基板
１２光導波路
１３電極
１４パッケージ
１５中継基板
１６コネクタ
１７光ファイバ
１８フェルール部材
１９コリメートレンズ
２０集光レンズ
２１レンズホルダ
２２フェルール
２３光ファイバ
１００偏波結合器
２１０波長板
２２０ＰＢＣプリズム
２２１第１のプリズム
２２１ａ，２２１ｂ傾斜面
２２２偏光分離膜
２２３第２のプリズム
２３０ベース部材

Claims

基板を有し、光に電気信号を重畳し、それぞれ電気信号が重畳された第１及び第２の光ビームを前記基板の長手方向へ出力する変調部と、
前記基板の長手方向と交差する短手方向に沿って配置された光ファイバと、
前記変調部によって出力される第１及び第２の光ビームを合成して前記光ファイバへ出力する合成部と
を有し、
前記合成部は、
前記第１の光ビームの偏波方向を回転させる偏波回転素子と、
前記偏波回転素子によって偏波方向が回転した前記第１の光ビームを前記基板の短手方向へ反射させる第１の反射面と、前記第１の反射面において前記基板の短手方向へ反射された前記第１の光ビームを透過させ、かつ、偏波方向が回転していない前記第２の光ビームを前記基板の短手方向へ反射させる第２の反射面とが形成され、前記第２の反射面を透過する前記第１の光ビームと、前記第２の反射面において反射した前記第２の光ビームとを合成する偏波合成素子と
を有することを特徴とする光変調装置。
前記偏波合成素子は、
前記長手方向に対して傾斜する第１及び第２の傾斜面が形成され、前記偏波回転素子が固定される第１のプリズムと、
前記第１のプリズムの前記第１の傾斜面に偏光分離膜を介して接合された第２のプリズムとを有し、
前記偏波回転素子によって偏波方向が回転した前記第１の光ビームは、前記第２の傾斜面において前記短手方向へ反射した後、前記偏光分離膜を透過し、
前記第２の光ビームは、前記偏光分離膜において前記短手方向へ反射した後、前記偏光分離膜を透過する前記第１の光ビームと合成され、
前記第２の傾斜面は、前記第１の反射面であり、
前記第１の傾斜面及び前記偏光分離膜は、前記第２の反射面である
ことを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。
前記偏波合成素子は、前記第１のプリズムの前記第２の傾斜面に全反射膜を介して接合されたベース部材をさらに有し、
前記偏波回転素子は、前記第１のプリズム及び前記ベース部材に固定され、
前記偏波回転素子によって偏波方向が回転した前記第１の光ビームは、前記全反射膜において前記短手方向へ反射した後、前記偏光分離膜を透過し、
前記第２の光ビームは、前記偏光分離膜において前記短手方向へ反射した後、前記偏光分離膜を透過する前記第１の光ビームと合成され、
前記第２の傾斜面及び前記全反射膜は、前記第１の反射面である
ことを特徴とする請求項２に記載の光変調装置。
前記偏波合成素子は、
前記長手方向に対して傾斜する第１及び第２の傾斜面が形成された第１のプリズムと、
前記第１のプリズムの前記第１の傾斜面に偏光分離膜を介して接合された第２のプリズムとを有し、
前記偏波回転素子は、前記第１のプリズムの前記第２の傾斜面に無反射膜を介して固定され、
前記偏波回転素子によって偏波方向が回転した前記第１の光ビームは、前記偏波回転素子の前記無反射膜とは反対側の面において前記短手方向へ反射した後、前記偏光分離膜を透過し、
前記第２の光ビームは、前記偏光分離膜において前記短手方向へ反射した後、前記偏光分離膜を透過する前記第１の光ビームと合成され、
前記第２の傾斜面は、前記第１の反射面であり、
前記第１の傾斜面及び前記偏光分離膜は、前記第２の反射面である
ことを特徴とする請求項１に記載の光変調装置。