JP7047469B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路が形成された基板を筐体に収容した光変調器に関する。

光通信分野において、入力された光波に送信データ等に応じた光変調を施して出力する光変調器が利用されている。図１には、従来の光変調器の構造を示してある。図１の上段は、光導波路素子の基板の平面図であり、下段は、それを収容した箱状の筐体を含む断面図である。

光変調器は、電気光学効果を有する基板１０に、光変調を行うためのマッハツェンダー型導波路を含む光導波路２０を形成して構成された、光導波路素子を備える。光変調器の筐体３０の底面３１には内部空間側に突出させて実装部３２が形成されており、この実装部３２の上に光導波路素子の基板１０が配置され、固定される。

光導波路２０は、複数のマッハツェンダー型導波路を並列に配置するために、光導波路を伝搬する光波を均等なパワー比に分配する複数のＹ分岐導波路部２１を有している。また、各Ｙ分岐導波路部２１の光波進行方向の上流側には、光波を分岐する前に光波モードを変換するためのモード変換部２２が配置されている。モード変換部２２は、例えば、１本の光導波路を２本に分岐させるために光導波路幅を徐々に広げた構造（テーパー構造）とされる。

一般に、実装部３２は、光ファイバー４０が接続される光入力部側の端部が、基板１０の光入力部側の端部よりも光波進行方向の下流側となるように形成される。すなわち、基板１０は、光入力部側の端部が実装部３２から光波進行方向の上流側に突き出るような配置で、実装部３２に固定される。このような構造は、筐体３０内に引き込んだ光ファイバー４０を基板１０に接続して固定する際の作業性の確保などのために採用されている。また、基板１０の光ファイバー４０との接続部分は、光ファイバー４０との接続強度を高めるために補強部材１２で補強される。

筐体３０は、基板１０を収容して固定した後に蓋体（不図示）により気密封止されるが、気密封止のためのシーム溶接等の製造工程内の熱履歴や、光変調器の動作環境の温度変化などにより、反りや捻じれ等の変形が生じ得る。このような変形が生じると、筐体３０に固定された基板１０は、筐体３０との接触面（固定面）から外力を受ける。

従来は、図１の下段の断面図に示すように、光入力部側における基板１０と筐体３０との固定端（光導波路素子の実装端）３３が、モード変換部２２の範囲に重なる構造になっていた。このように、モード変換部２２の範囲内に筐体３０と接する部分（固定された部分）と接しない部分とがあると、筐体３０からの外力による大きな応力変化点（応力分布）がモード変換部２２で生じる。

すると、モード変換部の範囲に応力変化による屈折率分布が生じ、Ｙ分岐導波路部における伝搬光の分岐比（パワー比）に差が生じてしまう。その結果、各マッハツェンダー型導波路でのＯｎ／Ｏｆｆ消光比の劣化や、分岐導波路部（マッハツェンダー型導波路のアーム部）間でのロス差が発生し、伝送特性の劣化につながるという問題がある。さらに、光変調器に使用されるＬＮ基板（ニオブ酸リチウム基板）などの基板は、優れた圧電効果を有しているので、外力を受けると圧力に比例した分極も同時に起こり、圧力を受けた部分の屈折率がより顕著に変化する。
なお、Ｙ分岐構造における分岐比の安定化を図るための構造に関しては、これまでにも種々の検討がなされており、例えば、特許文献１には、Ｙ分岐構造の前段に３分岐構造やスラブ導波路を配置する構造が開示されている。

特開２０１６－１９１８２０号公報

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、筐体の変形による伝送特性の劣化を抑制することが可能な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に、本発明の光変調器は、以下のような技術的特徴を備えている。
（１） 光導波路が形成された基板と、該基板を収容する筐体とを備えた光変調器において、該光導波路は、該光導波路を伝搬する光波のモードを変換して分岐するモード変換分岐部を複数含み、該筐体の内部の面から突出させて、該基板を保持する実装部が形成され、該基板は、該基板を平面視した場合に、光波進行方向の最も上流のモード変換分岐部がある領域の外側に、該基板と該実装部との固定端が位置する配置で、該実装部に固定され、該実装部には、光波進行方向に直交する方向に延びる凹部が形成されており、該凹部は、該基板を平面視した場合に、光波進行方向の最も上流のモード変換分岐部以外のいずれかのモード変換分岐部の領域が該凹部の内側に収まるように形成されていることを特徴とする。

本発明では、光変調器の基板を、モード変換分岐部がある領域の外側に実装部に対する光波進行方向の固定端が位置する配置で実装部に固定するので、筐体の変形による伝送特性の劣化を抑制することが可能となる。

従来の光変調器の構造を示す図である。 本発明の第１実施例に係る光変調器の構造を示す図である。 本発明の第２実施例に係る光変調器の構造を示す図である。 本発明の第３実施例に係る光変調器の構造を示す図である。 本発明の第４実施例に係る光変調器の構造を示す図である。 本発明の第５実施例に係る光変調器の構造を示す図である。 実装部の端部の断面構造の例を示す図である。 モード変換分岐部の構造の例を示す図である。

本発明に係る光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。なお、以下で示す例によって本発明が限定されるものではない。
本発明に係る光変調器は、図２～図６に示すように、光導波路（２０）が形成された基板（１０）と、該基板を収容する筐体（３０）とを備えた光変調器において、該光導波路は、該光導波路を伝搬する光波のモードを変換して分岐するモード変換分岐部（２１，２２）を含み、該筐体の内部の面（３１）から突出させて、該基板を保持する実装部（３２）が形成され、該基板は、該基板を平面視した場合に、該モード変換分岐部がある領域の外側に、該基板と該実装部との固定端（３３）が位置する配置で、該実装部に固定されることを特徴とする。換言すれば、該基板は、該基板と該実装部とを接合する接合領域の境界が、該基板を平面視した場合に、該モード変換分岐部と重ならないように該実装部に固定される。

このような構造によれば、筐体からの外力による大きな応力変化点（応力分布）がモード変換分岐部の範囲内に生じないので、光波を分岐する際に伝搬光の分岐比に差が生じることを抑制できる。その結果、各マッハツェンダー型導波路でのＯｎ／Ｏｆｆ消光比の劣化や、分岐導波路部間でのロス差の発生を軽減できるので、伝送特性の劣化を抑制することが可能となる。本発明は、ＬＮ基板のように優れた圧電効果を有する基板を用いた光変調器に特に好適であるが、圧力が加わると屈折率変化が生じる他の基板（ガラスや結晶等の基板）を用いた光変調器にも本発明は有効である。

基板の実装部が形成される筐体の内部の面（基板が実装される面）としては、筐体を気密封止するための蓋体に対向する底面が一般的であるが、これに限定されない。例えば、基板の実装部を、蓋体と隣り合う側面に形成してもよい。以下では、説明の便宜上、基板の実装部が筐体の底面に形成される場合を例にして説明する。

基板の実装部は、基板をしっかりと固定できるように、基板の面と均一に接するように形成された平面状の実装面を有する。実装面は、単一の平面領域で構成されてもよく、溝状の凹部などによって区分けされた複数の平面領域で構成されてもよい。

また、基板の実装部は、実装面と筐体の底面との間を繋ぐ側面（壁面）を有する。実装部の側面は、図７（ａ）に示すように、筐体の底面や実装面に対して直角に形成されてもよく、図７（ｂ）に示すように、筐体の底面や実装面に対して斜めに形成されてもよい。なお、実装部の側面と筐体の底面や実装面との接続部は、図７（ｃ）に示すように、丸みを帯びた形状でもよい。

固定端は、基板が実装部（実装面）に対して固定される領域の端である。基板の実装部とその上に配置される基板とは接着剤などで固定されるので、基板が接着剤に接触する領域の端を固定端ということもできる。すなわち、固定端とは、基板と実装部とを接合する接合領域の境界に該当する。固定端は、光波進行方向の上流側と下流側、および光波進行方向に対して左側と右側のそれぞれに存在するが、本発明における固定端は、主に光波進行方向の上流側の固定端（光入力部側の固定端）のことを言う。なお、他の固定端（接合領域の境界）も、モード変換分岐部と重ならない配置とすることが望ましいことは言うまでもない。

モード変換分岐部には、例えば、光波のモードを変換するモード変換部（２２）と、モード変換された光波を分岐するＹ分岐導波路部（２１）とが含まれる。また、Ｙ分岐導波路部の直後に導波路幅が変化する区間がある場合には、その区間もモード変換分岐部に含まれ得る。すなわち、本発明に係るモード変換分岐部は、一例として、Ｙ分岐導波路部およびその前後の光波のモードが変化する区間（モードが不安定な区間）で構成される。このようなモード変換分岐部で屈折率変化が生じると、光導波路を伝搬する光波の分布の中心位置がずれたり、分布が非対称となったり、あるいは所望する以外のモードに結合したりして、光導波路を伝搬する光波の分布が不安定となる。そこで、本発明では、モード変換分岐部に対して筐体から外力が加わりにくい構造を採用し、モード変換分岐部における屈折率変化を抑制することで、光導波路を伝搬する光波の分布の不安定化の解消を図っている。

モード変換分岐部は、幾つかの例を図８に示すように、種々の構造で実現することができる。
図８（ａ）は、Ｙ分岐構造によるモード変換分岐部の例であり、分岐部に至る過程で幅を徐々に広げた形状（テーパー形状）となっている。このような構造の場合には、分岐後の２つの光導波路部分の全体の幅Ｌ２が通常の光導波路の幅Ｌ１（テーパー形状ではない部分の幅）の３倍以下（Ｌ２≦Ｌ１×３）の区間Ｓ１が、モード変換分岐部に該当する。
図８（ｂ）は、ＭＭＩ（マルチモード干渉計）構造によるモード変換分岐部の例であり、分岐部の前の所定区間をマルチモード導波が可能な幅に広げた形状となっている。このような構造の場合には、幅を広げた区間Ｓ２が、モード変換分岐部に該当する。
図８（ｃ）は、方向性結合器によるモード変換分岐部の例であり、２本の光導波路を所定区間に亘って近接させている。このような構造の場合には、Ｙ分岐構造の場合と同様に、２つの光導波路が近接している部分の全体の幅Ｌ２が通常の光導波路の幅Ｌ１の３倍以下（Ｌ２≦Ｌ１×３）の区間Ｓ３が、モード変換分岐部に該当する。
なお、Ｌ２≦Ｌ１×３という条件は、本発明の適用に好適な条件例の１つを挙げたものであり、本条件に限定されることを意図するものではない。

以下、本発明に係る光変調器の具体的な構成について、実施例を挙げて説明する。
図２～図６には、第１実施例～第５実施例に係る光変調器の構造をそれぞれ示してある。各図の上段は、光導波路素子の基板の平面図であり、下段は、それを収容した箱状の筐体を含む断面図である。各実施例に係る光変調器の基本的な構造は、図１を参照して説明した従来例と同様であるので、説明を省略する。

［第１実施例］
第１実施例では、図２の下段の断面図に示すように、筐体３０の底面３１に設けた実装部３２に対する光入力部側の固定端３３が、光波進行方向の最も上流のＹ分岐導波路部２１およびその直前のモード変換部２２がある領域の下流側に位置する配置で、基板１０を実装部３２に固定している。すなわち、Ｙ分岐導波路部２１およびモード変換部２２を含むモード変換分岐部がある基板領域の底面側を、空洞にしてある。この空洞の深さは、筐体３０が変形しても基板１０に筐体の底面３１が接しない程度の距離を確保できていればよい。

このような構造によれば、モード変換分岐部は筐体３０からの外力を直接受けないので、筐体からの外力による大きな応力変化点（屈折率分布）がモード変換分岐部の範囲内に生じない。したがって、光波を分岐する際に伝搬光の分岐比が安定し、各マッハツェンダー型導波路でのＯｎ／Ｏｆｆ消光比の劣化や、分岐導波路部間でのロス差を軽減することができる。

［第２実施例］
第２実施例では、図３の下段の断面図に示すように、筐体３０の底面３１に設けた実装部３２に対する光入力部側の固定端３３が、光波進行方向の最も上流のＹ分岐導波路部２１およびその直前のモード変換部２２がある領域の上流側に位置する配置で、基板１０を実装部３２に固定している。すなわち、実装部３２を、モード変換部２２よりも上流側に固定端３２が位置するように、光入力部側に延長してある。

このような構造によれば、筐体３０の変形によりモード変換分岐部も外力を受けるが、モード変換分岐部の範囲内には大きな応力変化点が生じない。したがって、光波を分岐する際に伝搬光の分岐比が安定し、各マッハツェンダー型導波路でのＯｎ／Ｏｆｆ消光比の劣化や、分岐導波路部間でのロス差を軽減することができる。

［第３実施例および第４実施例］
図４に示す第３実施例は、図２に示した第１実施例の変形例である。また、図５に示す第４実施例は、図３に示した第２実施例の変形例である。第１実施例および第２実施例では、光導波路素子を１種類の基板（例えば、ＬＮ基板）で形成したが、第３実施例および第４実施例では、光導波路素子を２種類の基板で形成してある。

図４、図５に示すように、これら変形例では、光波進行方向の最も上流のＹ分岐導波路部２１およびその直前のモード変換部２２を第１の素材の基板１０－１に形成し、残りの光導波路部分を第２の素材の基板１０－２に形成してある。基板１０－１としては、一例として、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit；平面型光学回路）基板が用いられる。また、基板１０－２としては、一例として、ＬＮ基板が用いられる。基板１０－１に形成された光導波路と基板１０－２に形成された光導波路とは、光学的に接続される。
このように素材が異なる複数の基板で構成された光変調素子においても、基板（特に、上流側の基板１０－１）の実装部に対する光入力側の固定端をモード変換分岐部の範囲からずらすことで、筐体の変形による伝送特性の劣化を抑制できるようになる。

［第５実施例］
第５実施例では、図６の下段の断面図に示すように、筐体３０の底面３１にある実装部３２に、複数の凹部３５、３６を形成してある。これら凹部３５，３６は、実装部３２が有する平面状の実装面に、光波進行方向に直交する方向に延びるように溝状に形成されている。また、これら凹部３５，３６は、光波進行方向の最も上流のモード変換分岐部以外のモード変換分岐部の領域が、各凹部の内側に収まるように形成されている。

すなわち、光変調素子の中央寄りにある他のモード変換分岐部に対しても、第１実施例と同様に、基板領域の底面側に空洞を設けてある。これにより、最上流のモード変換分岐部以外でも、光波の分岐特性を改善する効果が得られる。図６では、２段目のモード変換分岐部と３段目のモード変換分岐部のそれぞれに対応する２つの凹部を実装部に設けてあるが、いずれかのモード変換分岐部に対応する１つの凹部を実装部に設けてもよい。また、４段以上のモード変換分岐部がある場合にも、２段目以降の全てに対して凹部を設けてもよいし、選択的に凹部を設けてもよい。

なお、全てのモード変換分岐部に対して基板領域の下側に空洞ができるように、光入力部側から連続した深い空洞を形成することも考えられるが、この場合には、基板１０の固定面積（実装面の面積）が極端に減少してまう。これは、光ファイバーの接続部における光軸ズレや、光変調素子の破損（基板の割れ、折れ等）の原因となる。このため、本実施例のように、離散した空洞が形成されるように、溝状の凹部を設けることが好ましい。

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した内容に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更することが可能である。例えば、各図では基板１０をＬＮ基板の単層構造としているが、薄板化したＬＮ基板を補強基板に直接接合したり、接着剤等で貼り合わせた多層構造の基板としてもよく、あるいはベース基板上に結晶成長させた多層構造の基板としてもよく、いずれの基板でも本発明を適用することができる。また、各実施例を適宜組み合わせ得ることは言うまでもない

本発明によれば、筐体の変形による伝送特性の劣化を抑制することが可能な光変調器を提供することができる。

１０ 基板
１２ 補強部材
２０ 光導波路
２１ Ｙ分岐導波路部
２２ モード変換部
３０ 筐体
３１ 底面
３２ 実装部
３３ 固定端
３５，３６ 凹部
４０ 光ファイバー

Claims (1)

1. 光導波路が形成された基板と、該基板を収容する筐体とを備えた光変調器において、
   該光導波路は、該光導波路を伝搬する光波のモードを変換して分岐するモード変換分岐部を複数含み、
   該筐体の内部の面から突出させて、該基板を保持する実装部が形成され、
   該基板は、該基板を平面視した場合に、光波進行方向の最も上流のモード変換分岐部がある領域の外側に、該基板と該実装部との固定端が位置する配置で、該実装部に固定され、
   該実装部には、光波進行方向に直交する方向に延びる凹部が形成されており、
   該凹部は、該基板を平面視した場合に、光波進行方向の最も上流のモード変換分岐部以外のいずれかのモード変換分岐部の領域が該凹部の内側に収まるように形成されていることを特徴とする光変調器。

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