JP7322784B2 - 光導波路素子とそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子とそれを用いた光変調デバイス並びに光送信装置に関し、特に、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板上に配置され、該光導波路を伝搬する光波又は該光導波路から放射される光波をモニタする受光素子とを有する光導波路素子に関する。

光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した、光変調器などの光導波路素子が多用されている。また、光変調器などでは、マッハツェンダー型光導波路による光変調におけるバイアスを制御するため、マッハツェンダー型光導波路の合波部から出射する出力光や放射光をモニタすることが行われている。

特許文献１のように、ＰＤなどの受光素子を基板の上に配置することが行われている。図１のように、基板１に形成されたマッハツェンダー型光導波路２の合波部における干渉光が出力導波路２１によって基板１の外部に出力光として導出される。また、合波部での干渉で生じた相補的な光強度を有する光は、モニタ用光導波路２２によって、モニタ光として利用され、受光素子ＰＤに案内される。
このような受光素子の配置は、コヒーレント通信で用いる複数のマッハツェンダー型光導波路が並列に配置される２偏波型の光変調器において、出力光に対する損失がなく十分なモニタ感度が得られる上に、基板上に複数の受光素子を配置することで小型な光変調器の実現が可能となるため、多用されている。

受光素子を基板の上に配置することで、光導波路素子のサイズをある程度小さくすることが可能であるが、近年では、より一層の小型化に対するニーズが高まっている。特に、図１に示す、マッハツェンダー型光導波路２が形成された基板１の長さＬをより短くすることが求められている。このため、マッハツェンダー型光導波路の合波部から光導波路の出力端までの距離を短くすることが必要であり、受光素子ＰＤの配置位置を確保することが難しくなっている。

さらに、特許文献２のように、基板上の一部には補強部材が配置されている。図１に示すように、光導波路に入射光（Ｌｉｎ）が入る入力端と出射光（Ｌｏｕｔ）が出る出力端には、基板１の辺に沿って補強部材３が基板の上側に配置されている。これは、光導波路の入力端又は出力端の端面を研磨する際に、導波路欠けを防止するためや、入力端や出力端に対向して光ファイバやレンズ等の光学部品を接着固定する際、接着面積を確保するためである。

受光素子ＰＤと基板１との接合や、補強部材３と基板１との接合には、接着剤が使用される。受光素子または補強部材３の接合時には、接着剤が受光素子や補強部材からはみ出し、他方の接合の妨げとなる可能性がある。このため、各部材で使用される接着剤が互いに接触しないように構成するには、受光素子ＰＤと補強部材３との間隔を広くとることが必要なる。このことは、図１の基板１の長さＬを短くすることをより一層困難にしている。

特開２０１７－２１１５０４号公報 特開２０１７－１８７５２２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、電気光学効果を有する基板の長さを短く構成しながら、受光素子の配置に必要なスペースを十分確保することが可能な光導波路素子と、それを利用する光変調デバイス並びに光送信装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光導波路素子、光変調デバイス、及び光送信装置は、以下のような技術的特徴を有する。
（１） 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板上に配置され、該光導波路を伝搬する光波又は該光導波路から放射される光波をモニタする受光素子とを有する光導波路素子において、該光導波路から該受光素子に延びるモニタ用光導波路を備え、該モニタ用光導波路は、該光導波路の出射方向に対して折り返し部分を有し、該受光素子は、前記折り返し部分の後の該モニタ用光導波路の一部に配置されており、さらに、該基板の上側で、該光導波路の出力端が配置される該基板の一辺に沿って、補強部材が該基板に接合されており、前記折り返し部分は、該基板と該補強部材との間に形成されていることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該光導波路の入力端と出力端は、該基板の同一の辺に沿って配置されていることを特徴とする。

（３） 上記（２）に記載の光導波路素子において、該入力端から該基板に漏洩した漏れ光の広がり角の範囲外に該受光素子を配置していることを特徴とする。

（４） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該補強部材の該受光素子に面した側面又は該受光素子の該補強部材に面した側面には、遮光部が形成されていることを特徴とする。

（５） 上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光導波路素子において、該モニタ用光導波路は、リブ型光導波路であることを特徴とする。

（６） 上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光導波路素子と、該光導波路素子を収容する筐体と、該光導波路に光波を該筐体の外部から入力又は出力する光ファイバとを有することを特徴とする光変調デバイスである。

（７） 上記（６）に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする。

（８） 上記（６）又は（７）に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置である。

本発明により、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板上に配置され、該光導波路を伝搬する光波又は該光導波路から放射される光波をモニタする受光素子とを有する光導波路素子において、該光導波路から該受光素子に延びるモニタ用光導波路を備え、該モニタ用光導波路は、該光導波路の出射方向に対して折り返し部分を有し、該受光素子は、前記折り返し部分の後の該モニタ用光導波路の一部に配置されており、さらに、該基板の上側で、該光導波路の出力端が配置される該基板の一辺に沿って、補強部材が該基板に接合されており、前記折り返し部分は、該基板と該補強部材との間に形成されているため、電気光学効果を有する基板の長さを短く構成しながら、受光素子の配置に必要なスペースを十分確保することが可能な光導波路素子と、それを利用する光変調デバイス並びに光送信装置を提供することが可能となる。

従来の光導波路素子を示す平面図である。 本発明に係る光導波路素子の第１実施例を示す（ａ）平面図、（ｂ）側面図及び（ｃ）並び（ｄ）は（ａ）の点線Ｓでの断面図である。 本発明に係る光制御素子の第２実施例を示す（ａ）平面図及び（ｂ）断面図である。 本発明に係る光制御素子の第３実施例を示す平面図である。 本発明に係る光制御素子の第４実施例を示す（ａ）平面図及び（ｂ）側面図である。 本発明に係る光制御素子の第５実施例を示す（ａ）平面図及び（ｂ）側面図である。

以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、図２に示すように、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された光導波路２と、該基板上に配置され、該光導波路を伝搬する光波又は該光導波路から放射される光波をモニタする受光素子（ＰＤ）とを有する光導波路素子において、該光導波路から該受光素子に延びるモニタ用光導波路２２を備え、該モニタ用光導波路は、該光導波路の出射方向に対して折り返し部分２３を有し、該受光素子は、前記折り返し部分の後の該モニタ用光導波路の一部（２４）に配置されていることを特徴とする。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は側面図である。

電気光学効果を有する基板１としては、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）などの基板や、これらの材料による気相成長膜やこれらの材料を異種の基板に貼り合わせた複合基板などが利用可能である。
また、半導体材料や有機材料など種々の材料も光導波路として利用可能である。

光導波路の形成方法としては、光導波路以外の基板表面をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板の光導波路に対応する部分を凸状としたリブ型光導波路を利用することが可能である。また、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に高屈折率部分を形成することで光導波路を形成することも可能である。リブ型光導波路部分に高屈折率材料を拡散するなど、複合的な光導波路を形成することも可能である。特に、モニタ用光導波路の折り返し部分は、曲率半径が小さくなるため、光の閉じ込めが強くなるリブ型光導波路構造を採用することが好ましい。

光導波路を形成した基板の厚さは、変調信号のマイクロ波と光波との速度整合を図るため、１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下に設定される。また、リブ型光導波路の高さｈ（リブ型光導波路の両側の溝の底辺からリブ型光導波路凸部の頂辺まで）とリブ型光導波路部の基板厚ｔ（基板の底面からリブ型光導波路凸部の頂辺まで）の比ｈ/ｔは、０．８以下に設定される。特に、基板厚ｔが１μｍ以下の場合、ｈ/ｔは、０．６から０．８の範囲に設定されることが望ましい。また、補強基板１の上に気相成長膜を形成し、当該膜を上述のような光導波路の形状に加工することも可能である。

光導波路を形成した基板は、機械的強度を高めるため、直接接合又は樹脂等の接着層を介して、補強基板に接着固定される。直接接合する補強基板としては、光導波路や光導波路を形成した基板よりも屈折率が低く、光導波路などと熱膨張率が近い材料、例えば石英等が好適に利用される。その他にも、光導波路を形成した基板と同じかそれよりも高い屈折率の補強基板を使用することも可能である。その場合には、補強基板と光導波路基板との間に低屈折率の層を形成する。
また、接着層を介して補強基板に接合する際には、ＬＮ基板などを補強基板として利用することも可能である。

光導波路素子を光変調デバイスとして使用する場合には、光導波路を伝搬する光波を変調するため、光導波路、特に、マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路に沿って変調電極が形成される。また、光変調デバイスのＤＣバイアスを制御するため、バイアス電極を変調電極とは別に配置することも可能である。

本発明の光導波路素子の特徴は、図２のように、光導波路２から受光素子ＰＤに繋がるモニタ用光導波路２２の途中に折り返し部分２３を設け、基板１の長さＬを短くすることである。また、折り返し部分２３を、基板１の端面に沿って配置される補強部材３と基板１との間に配置、言い換えると平面視した際に図２（ａ）のように補強部材３と折り返し部分２３の少なくとも一部が重なるように配置する。これにより基板１の長さＬをより短くできる。
また、折り返し部分２３を補強部材３の下側も含めた広い部分に形成できるため、折り返し部分での曲げによる光の伝搬損失を抑制するよう曲率半径を大きくすることができる。

補強部材３の下側に位置する光導波路（折り返し部分や入出力導波路）は、図２（ｃ）に示すように、リブ型光導波路以外の部分を切除した構造（溝）や、図２（ｄ）のように、光導波路の両側に一定幅の溝を形成したリブ型光導波路を使用することができる。溝の幅はリブ型光導波路幅の１～１０倍程度に設定することが好ましい。図２（ｃ）及び図２（ｄ）は図２（ａ）の点線Ｓにおける断面図であり、基板１に形成された光導波路の形状を示したものである。

これにより、折り返し部分や入出力導波路は光波の閉じ込め効果の大きいリブ型光導波路としての機能を維持しつつ、補強部材３と基板１との十分な接着面積を確保することができる。また、接合時に補強部材３が基板１の接合面に対して傾く心配もない。さらに、これにより、導波路の断面やパターン形状によらず、安定した接着層厚を保つことができ、接着強度のバラツキの低減や、補強部材からの接着剤のはみ出しの制御をすることができる。

図２（ａ）に示すように、受光素子ＰＤと補強部材３との距離は、マッハツェンダー型導波路の合波部（当該受光素子が検出する光波が生成される合波部）と補強部材３との距離よりも長く設定することも可能である。これにより、光変調など行う作用部の長さをできるだけ長く確保しながら、補強部材３と受光素子ＰＤを基板１に固定する接着剤が互いに接触することも避けることが可能となる。

図３は、マッハツェンダー型光導波路の出力導波路２０を挟むように、放射光をモニタするためのモニタ用光導波路（２２，２２’）を設けている。図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の一点鎖線Ａ－Ａ’における断面図である。

２つのモニタ用光導波路は、折り返し部分（２３，２３’）を設け、受光素子（ＰＤ１，ＰＤ２）の下側を通過するモニタ用光導波路（２４，２４’）に延在している。また、受光素子（ＰＤ１）と、受光素子（ＰＤ２）を別体で構成し、各モニタ用光導波路（２４，２４’）上にそれぞれ配置することも可能であるが、受光素子（ＰＤ１）と、受光素子（ＰＤ２）を一つの支持部材４内に一体化して形成することも可能である。マッハツェンダー型光導波路の合波部に３分岐構造を用いた場合では、２つの受光素子の出力を合成して一つのモニタ出力とすることで、出力光にモニタ光が混入することを低減し、高いＯＮ／ＯＦＦ消光比を得ながら、さらにモニタ光と出力光の間での変調曲線のシフトを低減することができる。

支持部材４で一体化する場合には、図３（ｂ）に示すように、マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路を跨ぐように支持部材４を配置することが必要なため、支持部材４の一部に凹部Ｇを形成することが好ましい。また、分岐導波路の上にバッファ層を形成し、受光素子側に光波が吸収されないよう構成することもできる。

モニタ用光導波路を伝搬する光波の少なくとも一部を受光素子（ＰＤ）に案内するためには、図３（ｂ）のように、受光素子を光導波路に密着して配置することで、光導波路からのエバネッセント成分を受光素子方向に吸い上げることが可能となる。また、光導波路の一部に斜め方向の切込み等を形成し、受光素子方向に光波が反射・散乱するよう構成することも可能である。

さらに、支持部材４の側面や上下面、または内部に反射面を形成し、支持部材内にて光波を反射させ、受光素子の受光感度を向上するよう構成しても良い。特に、支持部材４の内部に反射面を形成した場合、受光素子（ＰＤ１）と受光素子（ＰＤ２）の一方から他方への光波の入射を抑制することができるため、より安定したモニター光を受信することができる。
また、モニタ光の受光量や特性を安定させるため、また、受光素子の固定の信頼性を高めるため、受光素子（ＰＤ）の下面に台座構造を別途設けても良い。

図４は、受光素子ＰＤがモニタする光波を、合波部からの出力光の一部とする例である。出力導波路２０の一部に光カプラー（点線部分Ｃ）を配置し、出力光の一部をモニタ用光導波路に導くよう構成されている。光カプラーＣとしては、方向性結合器、ＭＭＩカプラ、クロスカプラなど種々の構成を採用できる。

図５は、基板１の同じ一辺（図の右側）に沿って、光導波路の入力端と出力端を配置したものである。また、入力（Ｌｉｎ）された光波は２つに分岐され、各ネスト型光導波路で変調され、２つの変調光は偏波合成され一つの出力光（Ｌｏｕｔ）として出力されるよう構成されている。さらに、光変調に使用される電気信号（Ｓｉｎ）は、光波が入出力される基板１の辺とは反対側の辺から入力されている。図５（ｂ）は、図５（ａ）の平面図に対する側面図である。

光波の入射側に設けられるレンズ５１や、出射側に設けられるレンズ（５２，５３）は光学ブロック５に一体的に保持され、基板１と補強部材３の側面に接合されている。また、必要に応じ、波長板５４、偏波合成部材（５５，５６）などの光学部品も併せて一体的に保持する光学ブロックを設けることも可能である。さらに、キャピラリなどの部材に挿入固定された光ファイバの端面をキャピラリとともに直接、基板１と補強部材３の側面に接合させることも可能である。

基板１に配置される電極としては、電気信号Ｓｉｎが入力される変調電極（図の太い点線部分。信号電極のみ示し、接地電極は省略されている。）や、ネスト型光導波路のメイン・マッハツェンダー型光導波路のバイアスを制御するバイアス電極（Ｂ２）や、サブ・マッハツェンダー型光導波路のバイアスを制御するバイアス電極（Ｂ１）が設けられる。

光導波路２の入力側に描かれた点線ＬＳは、基板１の端面から入射した光波の漏れ光を示しており、漏れ光の広がり角（発散角θ）は光結合部でのビーム半径ｗ０と波長λからθ=λ／πｗ０で算出される。受光素子を漏れ光の広がり角の範囲外に配置することで、入射結合部での非結合光が受光素子に入射され受光素子のノイズとなることを抑制することが可能となる。

図５（ａ）では、モニタ用光導波路の終端の形状が、基板１の側面側（図中の基板１の上下側の辺）を向くように曲げられている。これは、モニタ用光導波路の終端から放出される光波（不要光）が、光導波路２に再入射することが無いようにするためである。基板１の表面に形成された電極で光波を吸収させることも可能であるが、基板１の側面から外部に光波を放出させることも可能である。

図６は、図５と同様に、光導波路の入力端からの漏洩光ＬＳを避けるように受光素子ＰＤを配置している。さらに、受光素子ＰＤや補強部材３の側面に遮光部を形成し、受光素子に不要光が入射したり、補強部材の側面で不要光が反射し、光導波路２や受光素子ＰＤに入射することを抑制することができる。

以上のような光導波路素子を筐体内に収容し、光導波路素子の光導波路に光波を、該筐体の外部から入出力する光ファイバを設けることで、光変調デバイスを構成することが可能である。また筐体内に、変調器駆動用のドライバＩＣなどの電子回路を内蔵させることも可能である。特に図５や図６のような折り返し構成の導波路の場合には、高周波信号のインターフェース、ドライバＩＣ，変調素子を直線的に配置することで、高周波特性に優れた変調デバイスを実現できる。

さらに、この光変調デバイスに、光導波路素子の基板に形成された変調電極に入力する電気信号を生成するデジタル信号処理プロセッサやドライバＩＣなどの電子回路やレーザ光源、制御回路等とを備えることで、光送信装置を構成することが可能となる。この電子回路は、光導波路素子と同じ筐体内に配置されても良いし、該筐体の外部に配置されても良い。

以上のように、本発明によれば、電気光学効果を有する基板の長さを短く構成しながら、受光素子の配置に必要なスペースを十分確保することが可能な光導波路素子と、それを利用する光変調デバイス並びに光送信装置を提供することが可能となる。

１ 基板
２ 光導波路
３ 補強部材
２２ モニタ用光導波路
２３ 折り返し部分
ＰＤ 受光素子

Claims (8)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板上に配置され、該光導波路を伝搬する光波又は該光導波路から放射される光波をモニタする受光素子とを有する光導波路素子において、
   該光導波路から該受光素子に延びるモニタ用光導波路を備え、
   該モニタ用光導波路は、該光導波路の出射方向に対して折り返し部分を有し、
   該受光素子は、前記折り返し部分の後の該モニタ用光導波路の一部に配置されており、
   さらに、該基板の上側で、該光導波路の出力端が配置される該基板の一辺に沿って、補強部材が該基板に接合されており、前記折り返し部分は、該基板と該補強部材との間に形成されていることを特徴とする光導波路素子。
2. 請求項１に記載の光導波路素子において、該光導波路の入力端と出力端は、該基板の同一の辺に沿って配置されていることを特徴とする光導波路素子。
3. 請求項２に記載の光導波路素子において、該入力端から該基板に漏洩した漏れ光の広がり角の範囲外に該受光素子を配置していることを特徴とする光導波路素子。
4. 請求項１に記載の光導波路素子において、該補強部材の該受光素子に面した側面又は該受光素子の該補強部材に面した側面には、遮光部が形成されていることを特徴とする光導波路素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、該モニタ用光導波路は、リブ型光導波路であることを特徴とする光導波路素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子と、該光導波路素子を収容する筐体と、該光導波路に光波を該筐体の外部から入力又は出力する光ファイバとを有することを特徴とする光変調デバイス。
7. 請求項６に記載の光変調デバイスにおいて、該光導波路素子に入力する変調信号を増幅する電子回路を該筐体の内部に有することを特徴とする光変調デバイス。
8. 請求項６又は７に記載の光変調デバイスと、該光変調デバイスに変調動作を行わせる変調信号を出力する電子回路とを有することを特徴とする光送信装置。

Images