JP6056800B2

JP6056800B2 - 光変調器

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Publication number: JP6056800B2
Application number: JP2014071019A
Authority: JP
Inventors: 原　徳隆; 徳隆原; 徳一宮崎
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: US20170123287A1; JP2015194517A; US9817293B2; CN106104367A; WO2015152061A1

Description

本発明は、光変調器に関するものであり、特に、マッハツェンダー型光導波路を有する光変調器において、マッハツェンダー型光導波路の合波部から放出される放射光を受光素子で検出する構成を有する光変調器に関する。

光通信分野や光計測分野において、マッハツェンダー型光導波路を有する強度変調器など各種の光変調器が用いられている。マッハツェンダー型光導波路から出力される光の強度変化は、変調電極に印加される電圧に対して正弦関数的な特性を示す。光変調器の用途に応じて、最適な出力光の強度を得るため、変調電極に印加される変調信号は、適切な動作バイアス点に設定することが必要となる。

このため、従来では、光変調器から出力される信号光の一部、あるいはマッハツェンダー型光導波路の合波部から放出される放射光を、モニタ光として、光検出器のような受光素子で検出し、光変調器の出力光の強度の状態をモニタすることが行われている。そして、受光素子の検出値（モニタ出力）に基づき、変調電極に印加される変調信号の動作バイアス点を調整（バイアス制御）している。

特許文献１には、図１に示すような、基板１の外部に配置された、受光素子５で放射光をモニタする光変調器を開示している。具体的には、電気光学効果を有する基板１には、マッハツェンダー型光導波路（２１〜２４）を含む光導波路２が形成されている。マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐導波路に沿って、光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極が設けられているが、図面では省略されている。出力導波路２４には、光ファイバ４が接続され、出射光を外部に導出するよう構成されている。

マッハツェンダー型光導波路の合波部２３から放出される２つの放射光（Ｒ１，Ｒ２）は、基板１の端部に光ファイバ４を接続するための補強用キャピラリ３の内部を通過し、受光素子５に導入される。特に、図１に示すように、２つの放射光を一つの受光素子で受光するよう構成することで、２つの放射光を合成した状態でモニタでき、モニタ光と出力光Ｓとの位相差を補償することが可能となる。

モニタ光と出力光の位相差を補償する精度を高めるには、２つの放射光を受光する光量比を最適に設定することが不可欠である。このため、図１のキャピラリ３と受光素子５との間には何らかの光量比調整手段が設けられる。

特許文献２には、図２及び３に示すように、光変調器を構成する基板１上に受光素子５を配置する構成が開示されている。具体的には、基板１には、マッハツェンダー型光導波路を含む光導波路２や、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極（不図示）が形成されている。受光素子５は、マッハツェンダー型光導波路を構成する出力導波路２４を跨ぐように配置されている。

図２では、受光素子５は、マッハツェンダー型光導波路の合波部から放出される２つの放射光を共に受光するよう構成している。放射光は基板１の内部を伝搬するが、放射光の伝搬する位置を精確にコントロールするために、放射光を導波する放射光用導波路（２５，２６）を設けることが可能である。受光素子５は、２つの放射光用導波路（２５，２６）にかかるように配置されている。

図３は、図２の一点鎖線Ｘ−Ｘ’における断面図である。放射光用導波路（２５，２６）に接触又は近接して高屈折率膜（４０、４１）を配置することにより、放射光の一部（Ｒ１，Ｒ２）は受光素子５の方に吸い上げられ、受光部５０に入射する。

図２及び３の構成では、２つの放射光を同時に受光することができ、図１の従来例で説明したように、２つの放射光を同時に受光し、両者の受光強度を調整することで、放射光を用いたモニタ光と出力導波路から出射される出力光との間の位相差を補償し、良好なモニタ特性を得ることができる。

特許文献１のように、基板１の外部に受光素子５を配置する場合には、同一基板上に複数のマッハツェンダー型光導波路を集積する場合や、基板の端面から離れた位置にマッハツェンダー型光導波路が形成され、当該マッハツェンダー型光導波路とキャピラリとの間に他の光導波路が存在する場合などでは、着目する光波のみを受光素子に導くことは極めて困難となる。

これに対し、特許文献２のように、基板１の表面に受光素子を配置する構成は、着目する光波を精確に受光できる利点がある。しかしながら、２つの放射光を同時に受光するためには、図３に示す２つの放射光用導波路（２５，２６）の間隔Ｗと同じ位か、それ以上に大きなサイズの受光面積を形成することが必要となる。受光部の面積の拡大は、その大きさに逆比例して、受光素子の周波数帯域が低下するという問題を発生させる。

特許第４９７７７８９号公報特開２０１３−８０００９号公報特願２０１４−００９５５４号（２０１４年１月２２日出願）

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、光変調器を構成する基板上に受光素子を配置し、マッハツェンダー型光導波路の合波部からの２つの放射光を同時に受光モニタする場合でも、受光素子の周波数帯域の低下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、本発明の光変調器は以下のような技術的特徴を有している。
（１）基板と、該基板に形成されたマッハツェンダー型光導波路を含む光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、受光素子が、該マッハツェンダー型光導波路を構成する出力導波路を跨ぐように該基板上に配置され、該マッハツェンダー型光導波路の合波部から放出される２つの放射光を受光するよう構成されており、該受光素子には、一つの受光素子基板に、各放射光に対応して２つの受光部が離間して形成され、かつ、前記各受光部の配線が並列に接続され、前記各受光部からのモニタ信号を電気的に重畳して出力することを特徴とする。
（２）上記（１）に記載の光変調器において、該受光部の幅は４０〜８０μｍであることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、該出力導波路と該受光素子との間には、該出力導波路より低い屈折率を有する低屈折率構造が形成され、該基板の該放射光の伝搬している部分と該受光素子との間には、前記放射光の伝搬している部分より高い屈折率を有する高屈折率構造が形成されていることを特徴とする。

（４）上記（３）に記載の光変調器において、該低屈折率構造を挟む２つの該高屈折率構造の間隔は、該出力導波路を伝搬する光波のモード径の２倍以上であることを特徴とする。

（５）上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、該基板の該放射光が伝搬している位置に、溝又は反射部材を配置し、該放射光を該受光素子に導くことを特徴とする。

（６）上記（５）に記載の光変調器において、該出力導波路を挟む２つの該溝又は２つの該反射部材の間隔は、該出力導波路を伝搬する光波のモード径の２倍以上であることを特徴とする。

（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光変調器において、該基板には、該放射光を導波する放射光用導波路が形成されていることを特徴とする。

（８）上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光変調器において、該基板の厚みは２０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の光変調器は、基板と、該基板に形成されたマッハツェンダー型光導波路を含む光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、受光素子が、該マッハツェンダー型光導波路を構成する出力導波路を跨ぐように該基板上に配置され、該マッハツェンダー型光導波路の合波部から放出される２つの放射光を受光するよう構成されており、該受光素子には、一つの受光素子基板に、各放射光に対応して２つの受光部が離間して形成され、かつ、前記各受光部の配線が並列に接続され、前記各受光部からのモニタ信号を電気的に重畳して出力するため、一つの受光部の面積を従来より小さく設定することができ、受光素子の周波数帯域の低下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。

特許文献１に記載された従来例であり、光変調器を構成する基板の外部に受光素子を配置した様子を示す図である。特許文献２に記載された従来例であり、光変調器を構成する基板上に受光素子を配置した様子を示す図である。図２に示す一点鎖線Ｘ−Ｘ’における断面図を示す図である。本発明の光変調器に使用される受光素子の概略を示す図である。図４の受光素子において、放射光用導波路に沿った方向の断面図であり、光波の伝播の様子を示す図である。

以下、本発明の光変調器について詳細に説明する。
本発明の光変調器は、図４に示すように、基板１と、該基板に形成されたマッハツェンダー型光導波路を含む光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極（不図示）とを有する光変調器において、受光素子５が、該マッハツェンダー型光導波路を構成する出力導波路２４を跨ぐように配置され、該マッハツェンダー型光導波路の合波部から放出される２つの放射光を受光するよう構成されており、該受光素子には、一つの受光素子基板５５に２つ以上の受光部（５１，５２）が離間して形成されていることを特徴とする。なお、図４は、図３と同様に、出力導波路を跨ぐように配置された受光素子の断面図の概略を主に図示している。

基板１としては、石英、半導体など光導波路を形成できる基板であれば良く、特に、電気光学効果を有する基板である、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶が好適に利用可能である。

特に、本発明に好適な基板は、基板の厚みが２０μｍ以下のものである。このような薄板では、光波が基板内に閉じ込められ易く、光導波路を伝搬する光波と基板内を伝搬する光波の分離が難しい。このため、本発明の光変調器のように基板上に受光素子を配置することで、効率的に着目する光波を受光することが可能となる。しかも、基板内を伝搬する不要光も多くなることから、特許文献１又は２に示すように、２つの放射光を同時に受光することで、より精確なモニタ信号を得ることが可能となる。２０μｍ以下の厚みの基板を使用するには、図４に示すように、基板１を機械的に補強する構成が必要であり、補強基板１１を基板１に樹脂等の接着層１０を介して接合している。

基板に形成する光導波路は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。また、光導波路となる部分の両側に溝を形成したリブ型光導波路や光導波路部分を凸状としたリッジ型導波路も利用可能である。また、ＰＬＣ等の異なる基板に光導波路を形成し、これらの基板を貼り合せ集積した光回路にも、本発明を適用することが可能である。

変調電極は、信号電極や接地電極から構成され、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設けることも可能である。なお、基板（光導波路）内を伝搬する放射光を、受光素子側に導出する領域においては、バッファ層を形成すると、放射光を効率良く導出することが難しくなるため、当該領域にはバッファ層を形成しないことが好ましい。

本発明の光変調器の特徴は、図４のように、光変調器に使用される受光素子には、一つの受光素子基板５５に２つ以上の受光部（５１，５２）が離間して形成されていることである。これにより、１つの受光部の面積を低くすることができ、受光素子の周波数帯域の低下を抑制することができる。

各受光部は独立して放射光を受光するが、各受光部の配線を並列に接続することで、受光部からのモニタ信号を電気的に重畳し、実質的に２つの放射光を単一の受光部で同時に受光するのと同等の効果を得ることができる。その結果、周波数帯域を低下させず、２つの放射光を同時にモニタでき、モニタ光と出力導波路２４を伝搬する出力光と間の位相差をより正確に補償することが可能となる。

受光素子５としては、フォトダイオード（ＰＤ）が好適に使用できる。図４では、ＩｎＰやＧａＡｓの基板（受光素子基板）５５の上側に、ＩｎＧａＡｓ（受光する光波の波長１５５０ｎｍの場合）やＧａＡｓ（８５０ｎｍ）による受光層５３を設け、当該受光層５３に接するように２つの受光部（５１，５２）が独立して配置されている。各受光部（５１，５２）には、モニタ光として２つの放射光（Ｒ１，Ｒ２）が各々に入射される。

図４では、２つの放射光を案内する放射光用導波路（２５，２６）に、放射光用導波路の屈折率より高い屈折率を持つ受光素子基板５５を接触させ、放射光用導波路を伝搬する放射光を受光部（５１，５２）の方に吸い上げている。出力導波路２４と基板５５との間には、空気層などの空洞６１が形成されている。

受光部の配置位置は、図４のように導波路断面方向からみた場合は、放射光用導波路（モニタ用導波路）の直上に配置されていることが望ましい。これは、放射光用導波路から受光素子基板内に放射された光（エバネセント波）は、導波路断面内では、導波路基板の法線方向に放射され、また放射角度が法線を中心として対称だからである。

また、導波光の進行方向に対しては、受光部の最適な位置はモニタ光の放射角度によって決まる。例えば受光素子基板の屈折率が３．１６、導波路の実効屈折率を２．１５とすると、放射角度は導波路基板の法線から約４３度の方向となる。但し、受光素子基板内のモニタ光の多重反射を考慮した場合はこの限りではない。図５は、受光素子に対する、モニタ用導波路である放射光用導波路（２５，２６）に沿った方向の断面図であり、モニタ用導波路を伝搬する光波（矢印）の一部が、受光素子基板内に入射する様子を図示している。

受光部の面積は、任意に設定することが可能であるが、導波路の断面方向については、受光部でのモニタ光のビーム幅程度に設定すれば良い。例えば、導波光の波長を１．５５μｍ、導波路のモード径を１０μｍ、受光素子基板の高さを１５０μｍとすると、前述の屈折率条件のもとで、受光部におけるビームの幅は２０μｍ程度となる。但し、受光素子の実装位置トレランスを考慮すると、受光部の幅は４０〜８０μｍ程度が望ましい。

一方で、図５に示すように、導波路の進行方向については、モニタ光はほぼ一様な強度の平行ビームとなるため、受光部の幅に特段の制限はないが、ＰＤ作製の容易さから、正方形もしくは円形の受光部となることが望ましい。

２つの受光部をワイヤーボンディングなどにより電気的に並列接続すれば、２つのモニタ信号は重畳され、出力光（メイン光）との位相差を打ち消すことが可能となる。この並列接続は、ワイヤーボンディング以外には、受光素子基板上でパターニングによる配線を形成することでも可能である。

なお、受光部は２つに限定されるわけではなく、一つの放射光を受光する受光部を２つ以上の受光部に分割して構成することも可能である。一般に、受光部の面積が大きくなると、周波数帯域が低下するため、対応帯域を考慮して複数に分割することが好ましい。ただし、多くの受光部に分割することは、ワイヤーボンディング又は配線パターンを複雑化することになり、製造コストが高くなる原因となる。このため、一つの放射光に対して、受光部は１〜５の範囲に抑制することが好ましい。

受光面積が少なくなると、逆に、感度が低下する。このため、本出願人が先に行った特許出願（特許文献３参照）で開示した、受光素子内の多重反射を用いる技術も本発明に組み合わせることは、大変有効である。ただし、放射光用導波路に対する受光素子の配置位置を微調整することで、２つの放射光の受光量のバランスを調整することが可能である。この調整を活かすには、多重反射した光波により、例えば、一方の放射光が、他方の放射光が入るべき受光部に必要以上に入射しないよう、反射を制御することが必要となる。

受光素子５を構成する基板内で放射光を多重反射させるためには、光波が反射する場所に、誘電体多層膜や金属反射膜などの反射膜を配置したり、基板内で全反射させることが好ましい。例えば、埋込み電極を構成する金属膜の下面で反射させたり、基板の外周面の少なくとも一部に誘電体多層膜や金属膜を配置して、反射効率を上げることが可能である。しかも、誘電体多層膜や金属膜を利用することで、受光素子基板の表面状態（汚れ等）によらず安定した反射が可能となる。

受光素子内にモニタすべき光波を導入するには、特許文献２にも開示されているように、光導波路等の光波を導波している箇所に、受光素子基板５５を直接接触させる方法だけでなく、図３のように、光導波路２５（２６）等と受光素子基板５５との間に高屈折率膜（４０，４１）を介在させる方法もある。この場合は、高屈折率膜の屈折率は、光導波路２５（２６）（または、光波を導波している基板１）の屈折率よりも高く、受光素子基板５５の屈折率よりも低く設定することが必要である。このように、モニタすべき光波が伝搬している部分と受光素子との間には高屈折率構造（光波が伝搬している部分より高い屈折率を有する構造）を設け、他方、モニタすべきできない光波（受光素子への入射を抑制すべき光波）が伝搬している部分と受光素子との間には低屈折率構造（光波が伝搬している部分より低い屈折率を有する構造）を設けている。低屈折率構造としては、低屈折率膜を配置するだけでなく、空気層を介在させる構成であっても良い。

また、特許文献２にも開示されているように、基板１（あるいは光導波路２５等）に溝又は反射部材を配置して、モニタ光の一部を受光素子の方に導くことも可能である。

図３又は４に示すように、低屈折率構造６０（６１）を挟む２つの高屈折率構造（４０，４１）を配置する場合には、該高屈折率構造の間隔Ｗは、出力導波路２４を伝搬する光波のモード径の２倍以上であることが好ましい。これは、出力導波路を伝搬する光波まで受光素子に吸い上げることを抑制するためである。また、基板１に溝や反射部材を配置して、モニタすべき光波を受光素子側に偏向させる場合も、同様に、出力導波路２４を挟む２つの溝又は２つの反射部材の間隔Ｗは、出力導波路を伝搬する光波のモード径の２倍以上であることが好ましい。

更に本発明の光変調器においても、特許文献２と同様に、受光素子５の基板１（又は光導波路２５，２６）に対する配置位置を調整することで、２つの放射光の受光量の比を調整することが可能となる。また、図２のように、放射光を導波する放射光用導波路（２５，２６）を設けることにより、放射光を受光素子５へ、より効率的に導くことが可能となる。

以上のように、本発明に係る光変調器によれば、光変調器を構成する基板上に受光素子を配置し、マッハツェンダー型光導波路の合波部からの２つの放射光を同時に受光モニタする場合でも、受光素子の周波数帯域の低下を抑制することが可能な光変調器を提供することが可能となる。

１基板
２光導波路
２１入力導波路
２２分岐導波路
２３合波部
２４出力導波路
２５，２６放射光用導波路
３キャピラリ
５受光素子
５０，５１，５２受光部
５５受光素子基板
４０，４１高屈折率構造
６０，６１低屈折率構造

Claims

基板と、該基板に形成されたマッハツェンダー型光導波路を含む光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器において、
受光素子が、該マッハツェンダー型光導波路を構成する出力導波路を跨ぐように該基板上に配置され、該マッハツェンダー型光導波路の合波部から放出される２つの放射光を受光するよう構成されており、
該受光素子には、一つの受光素子基板に、各放射光に対応して２つの受光部が離間して形成され、かつ、前記各受光部の配線が並列に接続され、前記各受光部からのモニタ信号を電気的に重畳して出力することを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、該受光部の幅は４０〜８０μｍであることを特徴とする光変調器。
請求項１又は２に記載の光変調器において、該出力導波路と該受光素子との間には、該出力導波路より低い屈折率を有する低屈折率構造が形成され、該基板の該放射光の伝搬している部分と該受光素子との間には、前記放射光の伝搬している部分より高い屈折率を有する高屈折率構造が形成されていることを特徴とする光変調器。
請求項３に記載の光変調器において、該低屈折率構造を挟む２つの該高屈折率構造の間隔は、該出力導波路を伝搬する光波のモード径の２倍以上であることを特徴とする光変調器。
請求項１又は２に記載の光変調器において、該基板の該放射光が伝搬している位置に、溝又は反射部材を配置し、該放射光を該受光素子に導くことを特徴とする光変調器。
請求項５に記載の光変調器において、該出力導波路を挟む２つの該溝又は２つの該反射部材の間隔は、該出力導波路を伝搬する光波のモード径の２倍以上であることを特徴とする光変調器。
請求項１乃至６のいずれかに記載の光変調器において、該基板には、該放射光を導波する放射光用導波路が形成されていることを特徴とする光変調器。
請求項１乃至７のいずれかに記載の光変調器において、該基板の厚みは２０μｍ以下であることを特徴とする光変調器。