JPH07218881A - 導波路型光変調デバイスおよびバイアス調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板に形成した光導波路を用い、導波光を制
御する導波型光変調デバイスにおいて、バイアス電圧を
印加することなく、出力光強度のバイアス調整が可能な
導波路型光変調デバイスとその方法を提供する。 【構成】 導波路型光変調デバイスに制御された応力を
加えることによって位相シフト光導波路３，４に光弾性
効果を引き起こし、出力光導波路５からの光出力を任意
に調整できる。その調整手段として、導波路型光変調デ
バイスにかける応力を制御する方法として、応力印加用
の部材１３をＬＮ基板１の側面に設ける、ネジを導波路
に押し付けるあるいはパッケージの押力を利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光波の変調、光路の切り
換え等を行なう光変調デバイスに関し、特に基板中に形
成された光導波路を用いて、導波光を制御する導波路型
光変調デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信、光情報処理システムの分野にお
ける技術が進歩し、実用化に向けて光波の変調、光路の
切り換え等を行なう光変調デバイスにおいて、より小型
化、高速化、高機能化が必要とされている。これらの光
制御デバイスの一つに基板中に形成した光導波路により
構成した導波路型の光変調デバイスがある。これは小
型、高効率、高速という特徴がある。

【０００３】一般に、光スイッチや光変調デバイス等に
使用される光導波路デバイスは、ニオブ酸リチウム（Li
NbO₃）（以下ＬＮという）等の電気光学効果を有する結
晶基板表面に分岐結合型に形成した光導波路の、分岐後
の光位相シフト部近傍に電極を設け、この電極を通じて
電界を印加し、光導波路の屈折率を変化させることによ
り、前記導波路中を進行し、再び合波された光信号の強
度変調や位相変調を行う。

【０００４】この光スイッチや光変調デバイスには、方
向性結合器型、反射型、分岐干渉型等の種類がある。

【０００５】図１４に従来の分岐干渉型光変調デバイス
の斜視図を示す。入力光導波路２への入射光８は分岐に
より二分割され、位相シフト光導波路３，４を通過後、
出力光導波路５へ合流する。このとき、位相シフト光導
波路を通過した光が同位相で合流すれば、損失は小さ
く、出射光９は大きな光量となるが、位相シフト光導波
路を通過した光が互いに逆相となる場合は、合流部分で
互いに消し合って出射光の光量は零になる。

【０００６】そこで、光導波路分岐後の変調用電極７へ
の印加電圧の大きさによって、位相シフト部電極近傍の
光導波路の屈折率が電気光学効果によって変化し、そこ
を通過する光の位相が変化する。このため合波後の光は
印加電圧に対応した光出力が得られ、出射光は変調され
たことになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】分岐干渉型光変調器の
変調用電極への印加電圧と光出力との関係の一例を図１
５に示す。光出力は印加電圧に対して周期的に最大値と
最小値をとる。

【０００８】変調用電極に電圧を印加しない状態では、
光は原理的に位相シフト光導波路を同位相で通過するの
で出射光の出力は最大となるが、通常、製造工程におい
て二つの位相シフト光導波路の間には微妙な構造上の差
が生じやすく、電圧０において光出力を最大値に一致さ
せることは困難である。

【０００９】光変調デバイスにおいて、通常、変調用電
極に印加する変調用電圧は、光出力の最大値の５０％と
なる電圧をバイアス電圧として印加し、高周波変調信号
を重畳させて動作させる。

【００１０】ＬＮなどの焦電効果を有する材料を用いた
導波路型光変調デバイスでは、温度変化により電極間に
電荷が蓄積しやすく、そのため光導波路近傍に電界が発
生しやすい。また、導波路型光変調デバイスに直流（以
下ＤＣ）電圧成分が長時間印加された場合には、結晶基
板や、基板とバッファー層の界面、バッファー層と電極
の界面等に、同様に電荷が蓄積する。

【００１１】このため、光導波路中に印加される電界強
度が経時的に変化するＤＣドリフト現象が生じ、光学バ
イアス位置が変動することが、これまで解決できない問
題となっていた。

【００１２】さらに、これを解決するために、光導波路
の屈折率を温度調節によって制御しようとすると、温度
制御装置を付加する必要から、光変調器の装置全体が大
きくなってしまうという欠点があった。

【００１３】本発明は、前記課題を解決し、バイアス電
圧を印加することなく、出力光強度のバイアス調整が可
能な導波路型光変調デバイスとその方法を提供する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、電気光
学効果を示す結晶基板上に形成された入力光導波路、そ
の入力光導波路より分岐した二つの位相シフト光導波
路、その二つの位相シフト光導波路が合流する出力光導
波路、および前記位相シフト光導波路の近傍に形成され
た電極からなる光変調デバイスにおいて、分岐干渉型光
変調デバイスの光入出力方向に平行な結晶基板側面にこ
の基板に印加する応力の制御が可能な応力印加用部材を
設けることにより、応力によってこの部材を介して位相
シフト光導波路に屈折率の変化を起こさせ、位相シフト
部の導波光に対して位相差を誘起し、合波後の光出力を
任意に調整できて、バイアス調整ができる。

【００１５】また、本発明によれば、導波路型光変調デ
バイスの外側に位置するパッケージに備えたオネジを回
転調整し、該オネジの先端を二つの位相シフト光導波路
のうちの一方の表面、又はその近傍に接触させて応力を
かけることにより、位相シフト光導波路の合流部に入射
する二つの導波光に対して位相差を付与し、出力光強度
を任意にバイアス調整できる。

【００１６】さらに、本発明によれば、結晶基板を固定
・収容するパッケージが熱可塑性材料からなり、パッケ
ージに熱および／又は応力を加えて変形させることによ
り、パッケージの結晶基板への固定部を介して結晶基板
に応力を印加し、結晶基板上に形成された二つの位相シ
フト光導波路をとおる導波光の間に位相差を付与し、出
力光導波路における光強度のバイアスを調整することが
できる。

【００１７】なお、位相シフト光導波路の表面にバッフ
ァー層を設けた場合についても、前述の手段は有効であ
る。

【００１８】

【作用】導波路型光変調デバイスに、制御された応力を
加えることによって光導波路に光弾性効果を引き起こ
し、位相シフト光導波路部分の屈折率を変化させて、分
岐後の光導波路を通過する光の位相を制御することが可
能である。つまり、二つの位相シフト光導波路間に光学
的位相差を付与し、出力光導波路からの光出力を任意に
調整できる。

【００１９】本発明においては、その手段として、導波
路型光変調デバイスの側面にかける応力を制御可能な材
料を設ける方法を採用する。この方法は、導波路型光変
調デバイス作製後に設け、光出力を観察しながら光学的
位相差を制御できる特徴がある。さらに導波路型光デバ
イスに応力をかける材料を設ける部分の面積が調整可能
で、これにより光学的位相差の制御が一層容易となる。

【００２０】導波路型光変調デバイスに、制御された応
力を加える他の手段として、本発明は、二つの位相シフ
ト光導波路のうちの一方の表面、又はその近傍にネジの
先端を接触させ、ネジの押しつけによって印加する応力
を調整する方法を採用する。この方法によってもまた同
様に光学的位相差を自由に付与でき、出力光強度をバイ
アス調整できる。

【００２１】また、本発明は、光導波路を形成した結晶
基板が固定部を介して受ける応力を利用し、出射光強度
を制御する方法を提供する。すなわち、熱可塑性材料か
らなるパッケージが、外部から供給する熱のために、又
は必要に応じて併せて加えた外力による変形のために、
結晶基板に応力が加わり、これによって位相シフト光導
波路部分の屈折率が変化する。パッケージを加熱する加
熱量とその方法によって、その変形の度合いを調整し、
出力光導波路からの光出力を任意に制御することが可能
である。

【００２２】以下に本発明を実施例によって詳細に説明
する。

【実施例１】図１は本発明による導波路型光変調デバイ
スの一実施例を示す。ＬＮ基板１の上にチタン（Ｔｉ）
を９００〜１１００℃の温度で数時間熱拡散して形成さ
れた幅５〜１２μｍ、深さ３〜１０μｍ程度の入力光導
波路２、位相シフト光導波路３，４、出力光導波路５が
設置され、分岐干渉型の導波路型光変調回路が形成され
ている。位相シフト光導波路近傍に幅１０〜３０μｍ程
度の変調用電極７が設けられている。ＬＮ基板１はＺ板
で、Ｚ軸方向が基板の面内に垂直である。

【００２３】光導波路上にはＳｉＯ₂膜からなるバッフ
ァー層６が形成され、その上に幅１０μｍ程度の変調用
電極７が設置されている。導波路型光変調デバイスの二
側面に圧電型半導体の応力印加用の部材（ピエゾ素子）
１３を設けることにより、位相シフト光導波路に応力印
加による位相差を付与して、図２に示すように、変調用
電極への印加電圧と光出力との関係における印加電圧０
の時の光出力が変化することを確認した。図２において
は、ピエゾ素子によって応力を付与することによって、
印加電圧０のときの光強度変調出力をその最大出力の５
０％にしている。

【００２４】

【実施例２】図３は本発明による導波路型光変調デバイ
スの他の実施例を示す。前記実施例１と同様に、ＬＮ基
板（Ｚ基板）１に分岐干渉型の導波路型光変調回路が形
成されている。

【００２５】ここで外側のパッケージ１２にネジ穴１０
を設け、そこにオネジ１１を入れて、その先端は片方の
位相シフト光導波路４に接触している。ここでオネジ１
１を回してその先端で位相シフト光導波路を押しつけ、
応力をかけると、図４に示すように、変調用電極７への
印加電圧と光出力との関係における印加電圧０の時の光
出力を調整できる。ここでは光出力が最大値の５０％に
なるように設定している。

【００２６】

【実施例３】図５は本発明による導波路型光変調デバイ
スの他の実施例を示す。ここでオネジ１１の接触してい
る部分が位相シフト光導波路４上ではなく、その近傍で
ある以外は実施例２と同様である。ここでオネジ１１を
回してその先端を位相シフト導波路近傍に押しつけ、位
相シフト光導波路４に間接的に応力をかけて、図６に示
すように、変調用電極７への印加電圧と光出力との関係
における印加電圧０の時の光出力を調整できる。ここで
は光出力をその最大値の５０％になるように設定してい
る。

【００２７】

【実施例４】図７は本発明による導波路型光変調デバイ
スの他の実施例を示す。ここで位相シフト光導波路３，
４の上にバッファー層６が設けられている以外は実施例
２と同様である。ここで実施例２と同様にして、図８に
示すように、印加電圧０の時の光出力を調整できる。

【００２８】

【実施例５】図９は本発明による導波路型光変調デバイ
スの他の実施例を示す。ここで位相シフト光導波路３，
４の上にバッファー層６が設けられている以外は実施例
３と同様である。ここで実施例３と同様にして、図１０
に示すように、印加電圧０の時の光出力を調整できる。

【００２９】

【実施例６】図１１は本発明による導波路型光変調デバ
イスの他の実施例を示す。本実施例においてはＬＮ基板
１にはＸ基板を使用した。基板上には分岐干渉型の光導
波路が形成され、その中の二つの位相シフト光導波路に
近接してそれぞれ電極を配置して、光変調デバイスを構
成している。図１２は、パッケージに結晶基板を収容し
た導波路型光変調デバイスを、説明のためにパッケージ
の一部を除去した状態で示した外観斜視図である。ＬＮ
基板は、熱可塑性を示すアクリル酸樹脂製のパッケージ
にシリコーン樹脂で固定した。図１１は、導波路型光変
調デバイスのパッケージの上蓋を除去した状態で、これ
はまた内部全体の構成を示す。電極をパッケージの外部
と接続することができるようにリード線３０を接続し、
また変調する光の入射および出射の光導波路端面３１に
光ファイバ２６を接続した。底板２１の１箇所（図１１
において円形斜線部である紫外線照射スポット３２で示
している）に紫外線を照射して加熱した。０.７８ｃｍ²
の面積に９３６Ｊの熱量を供給した結果、パッケージの
変形によって位相シフト光導波路に応力付加による位相
差が付与され、変調用電極に印加する電圧と光出力との
関係は図１３に示されるように、印加電圧０の時の光出
力は移動し、紫外線照射による加熱を止めた後もそのま
ま留まり変動しないことを確認した。

【００３０】したがって、熱可塑性を有するアクリル酸
樹脂によって構成すべき箇所はパッケージ全体である必
要はなく、前述のように光出力調整のために加熱する部
分のみでもよい。

【００３１】また、結晶基板が、前記シリコーン樹脂の
ような接着材による固定とは別に、これを収容するパッ
ケージの内壁と常に接触して構築され、上記と同様に加
熱変形が可能であれば、前記と同様な効果が得られる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の導波路型
光変調デバイスは、出力光に対して自由に位相差を付与
でき、印加する電圧と光出力の関係において印加電圧が
０のときの光出力のバイアス調整が可能となる。その結
果、製造工程によって生じやすい印加電圧と光出力の関
係のずれを調整することができる。

【００３３】なお、導波路型光変調デバイスを利用した
電界強度を光強度に変換して検出する機能を有する光導
波路型の電界センサにおいても、本発明の構成方法を適
用することによりバイアス調整が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例１に係る導波路型光変調デ
バイスの構成を示す外観斜視図。

【図２】実施例１に係る導波路型光変調デバイスの効果
を示す動作特性説明図。

【図３】実施例２に係る導波路型光変調デバイスの構成
を示す外観斜視図。

【図４】実施例２に係る導波路型光変調デバイスの効果
を示す動作特性説明図。

【図５】実施例３に係る導波路型光変調デバイスの構成
を示す外観斜視図。

【図６】実施例３に係る導波路型光変調デバイスの効果
を示す動作特性説明図。

【図７】実施例４に係る導波路型光変調デバイスの構成
を示す外観斜視図。

【図８】実施例４に係る導波路型光変調デバイスの効果
を示す動作特性説明図。

【図９】実施例５に係る導波路型光変調デバイスの構成
を示す外観斜視図。

【図１０】実施例５に係る導波路型光変調デバイスの効
果を示す動作特性説明図。

【図１１】実施例６に係る導波路型光変調デバイスの構
成を示す外観斜視図。

【図１２】説明のためにパッケージの一部を除去した実
施例６に係る導波路型光変調デバイスの斜視図。

【図１３】実施例６に係る導波路型光変調デバイスの効
果を示す動作特性説明図。

【図１４】従来の分岐干渉型光変調デバイスの外観斜視
図。

【図１５】従来の分岐干渉型光変調デバイスの動作特性
図。

【符号の説明】

１ ニオブ酸リチウム基板（ＬＮ基板） ２ 入力光導波路 ３ 位相シフト光導波路 ４ 位相シフト光導波路 ５ 出力光導波路 ６ バッファー層 ７ 変調用電極 ８ 入射光 ９ 出射光 １０ ネジ穴 １１ オネジ １２ パッケージ １３ 応力印加用の部材（ピエゾ素子） ２１ 底板 ２２ ＬＮ基板台 ２４ ファイバ固定板（パッケージ側壁） ２５ 光ファイバ貫通穴 ２６ 光ファイバ ２７ 電極固定板（パッケージ側壁） ２８ 電極棒貫通穴 ２９ 電極棒 ３０ リード線 ３１ 光導波路端面 ３２ 紫外線照射スポット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田辺 高信 茨城県つくば市大字花島新田字北原28番１ 号 株式会社トーキン内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気光学効果を示す結晶基板上に形成さ
   れた入力光導波路と、その入力光導波路より分岐した二
   つの位相シフト光導波路と、その二つの位相シフト光導
   波路が合流する出力光導波路と、前記位相シフト光導波
   路の近傍に形成された電極とからなる光変調デバイスに
   おいて、光入出力方向に平行な前記結晶基板側面に、応
   力印加用の部材が設けられていることを特徴とする導波
   路型光変調デバイス。
2. 【請求項２】 請求項１記載の応力印加用の部材は、圧
   電効果を有する材料からなることを特徴とする導波路型
   光変調デバイス。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載の導波路型光
   変調デバイスのバイアス調整方法であって、前記応力印
   加用の部材に応力を印加することにより、前記位相シフ
   ト光導波路の合流部に入射する二つの導波光に対して所
   定の位相差を付与し、出力光導波路における光強度のバ
   イアスを調整することを特徴とする導波路型光変調デバ
   イスのバイアス調整方法。
4. 【請求項４】 電気光学効果を示す結晶基板上に形成さ
   れた入力光導波路と、その入力光導波路より分岐した二
   つの位相シフト光導波路と、その二つの位相シフト光導
   波路が合流する出力光導波路と、前記位相シフト光導波
   路の近傍に形成された電極とからなる光変調デバイスに
   おいて、前記結晶基板を収容するパッケージにオネジを
   備え、該オネジの先端が前記二つの位相シフト光導波路
   のうちの一方の表面、又はその近傍に接触した構造であ
   ることを特徴とする導波路型光変調デバイス。
5. 【請求項５】 請求項４記載の導波路型光変調デバイス
   のバイアス調整方法であって、前記オネジを回転調整
   し、前記位相シフト光導波路の合流部に入射する二つの
   導波光に対して所定の位相差を付与し、出力光導波路に
   おける光強度のバイアスを調整することを特徴とする導
   波路型光変調デバイスのバイアス調整方法。
6. 【請求項６】 電気光学効果を示す結晶基板上に形成さ
   れた入力光導波路と、その入力光導波路より分岐した二
   つの位相シフト光導波路と、その二本の位相シフト光導
   波路が合流する出力光導波路と、前記位相シフト光導波
   路の近傍に形成された電極とからなる光変調デバイスの
   バイアス調整方法であって、前記結晶基板を固定・収容
   するパッケージが熱可塑性材料からなり、該パッケージ
   に熱および／又は応力を加えて変形させることにより、
   前記結晶基板とパッケージの固定部を介して前記結晶基
   板に応力を印加し、前記結晶基板上に形成された二つの
   位相シフト光導波路を通る導波光の間に所定の位相差を
   付与し、出力光導波路における光強度のバイアスを調整
   することを特徴とする導波路型光変調デバイスのバイア
   ス調整方法。
7. 【請求項７】 位相シフト光導波路の表面にバッファー
   層を設けたことを特徴とする請求項１，２又は４記載の
   導波路型光変調デバイス。
8. 【請求項８】 請求項７記載の導波路型光変調デバイス
   のバイアス調整方法であって、請求項３，５又は６記載
   の導波路型光変調デバイスのバイアス調整方法。