(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＺ型導波路のＹ合波部におけるモード不整合光の発生やモード不整合光の放射モード光や出力光への混入を抑制すると共に、放射モード光と出力光を効率良く分離抽出することが可能な光変調器を提供する。【解決手段】誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器において、該マッハツェンダー型導波路の出射側のＹ合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路２であり、該マルチモード導波路２をシングルモード導波路となる出力主導波路３に変更する箇所に高次モード用導波路である出力副導波路４を接続し、該マルチモード導波路２は、長さが１５０μｍ以上である。【選択図】図２
2010237376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器において、
該マッハツェンダー型導波路の出射側のＹ合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、
該マルチモード導波路をシングルモード導波路となる出力主導波路に変更する箇所に高次モード用導波路である出力副導波路を接続し、
該マルチモード導波路は、長さが１５０μｍ以上であることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調器において、２本の該出力副導波路が、該出力主導波路を挟み、かつ、該出力主導波路を中心に線対称となるように配置されていることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光変調器において、該Ｙ合波部で結合する２つの分岐導波路の各々の幅は、該出力主導波路の幅より狭く、該出力副導波路の幅は、該分岐導波路の幅よりも狭いことを特徴とする光変調器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該誘電体基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする光変調器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該マッハツェンダー型導波路の入射側のＹ分岐部に至るまでの入力導波路の途中に、該入力導波路から分岐する高次モード用導波路を設けることを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光変調器に関し、特に、誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野や光計測分野において、誘電体基板の表面に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。その中でも、光強度変調などの光変調を行うため、マッハツェンダー型導波路を形成した光変調器は、集積化の容易さ、光変調の高効率化などの利点から利用度が高い。
【０００３】
マッハツェンダー型導波路（以下、「ＭＺ型導波路」という。）を有する光変調器では、ＭＺ型導波路の少なくとも片方のアーム（分岐導波路）に電界を印加し、該アームを伝搬する光波の位相を制御することが行われている。しかも、ＬｉＮｂＯ３基板は温度変化や長時間に渡るＤＣバイアス制御などにより、変調信号の動作点がシフトする、所謂、ドリフト現象が発生し易い。このため、特許文献１乃至３に示すように、光変調器からの出力光やＭＺ型導波路のＹ合波部から放射される放射モード光をモニタし、適正な動作点となるよう光変調器に印加するＤＣバイアスを調整することが行われている。
【０００４】
図１（ａ）に示すように、ＭＺ型導波路の理想的なＹ合波部は、２つの分岐導波路１が結合するＹ合波部の股部分において、分岐導波路間のギャップが０となり、結合部２から出力導波路３に形状が変化する場所（領域Ｂと領域Ｃとの境目）で、放射モード光（高次モード光）が放射される。そして、この放射モード光をモニタすることにより、光変調器の変調状態を判断することが可能となる。（特許文献２参照）
【０００５】
しかしながら、実際の光導波路の形状は、図１（ｂ）に示すように、分岐導波路間のギャップＧを０とすることはできない。これは、光導波路を形成する際の最少線幅が有限であることに起因している。このようなギャップの影響により、分岐導波路１が結合した場所（領域Ａと領域Ｂとの境目）において、光波のモード不整合が発生し、導波路を伝搬する光波の一部が漏れる、所謂、モード不整合光が発生する。
【０００６】
モード不整合光は、光変調器の光学特性を劣化させる原因となる。特に、伝搬損失の増大、消光比の劣化、さらには、モード不整合光が放射モード光と干渉したり、モード不整合光自体がモニタ手段に検出されるため、放射モード光を正確に検知できないなどの不具合を生じる。
【０００７】
他方、光変調器に用いる誘電体基板を２０μｍ以下に薄板化し、光変調器を駆動するための駆動電圧を低減したり、駆動信号と伝搬光との速度整合を図るなどの試みがなされている。しかしながら、特許文献４にも示すように、薄板化した誘電体基板内に、光導波路から漏出した光波が基板内に閉じ込められた状態で伝搬するため、モード不整合光と放射モード光の分離ができず、場合によっては、放射モード光と信号光との分離も困難な状態となる。
【０００８】
さらに、薄板化した光変調器では、光導波路の線幅が通常（基板の厚みが数百μｍ）の５〜７μｍ程度から２〜４μｍ程度に減少するため、分岐導波路の結合部（Ｙ合波部）でのギャップＧの影響が、通常のものと比較して、大きくなり、モード不整合光の発生がより顕著なものとなる。
【０００９】
本出願人は、特許文献４において、放射モード光を信号光から分離するため、ＭＺ型導波路のＹ合波部を、２×３分岐導波路で形成することが開示した。しかしながら、特許文献４で開示した２×３分岐導波路の形状では、２分岐導波路が結合した際に生じるモード不整合光の一部が光導波路と再結合し、放射モード光や出力光に混入するという問題が発生していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平５−５３０８６号公報
【特許文献２】特開平５−１３４２２０号公報
【特許文献３】特開２００１−２８１５０７号公報
【特許文献４】特開２００６−３０１６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した問題を解消し、ＭＺ型導波路のＹ合波部におけるモード不整合光の発生やモード不整合光の放射モード光や出力光への混入を抑制すると共に、放射モード光と出力光を効率良く分離抽出することが可能な光変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器において、該マッハツェンダー型導波路の出射側のＹ合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、該マルチモード導波路をシングルモード導波路となる出力主導波路に変更する箇所に高次モード用導波路である出力副導波路を接続し、該マルチモード導波路は、長さが１５０μｍ以上であることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調器において、２本の該出力副導波路が、該出力主導波路を挟み、かつ、該出力主導波路を中心に線対称となるように配置されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光変調器において、該Ｙ合波部で結合する２つの分岐導波路の各々の幅は、該出力主導波路の幅より狭く、該出力副導波路の幅は、該分岐導波路の幅よりも狭いことを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該誘電体基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該マッハツェンダー型導波路の入射側のＹ分岐部に至るまでの入力導波路の途中に、該入力導波路から分岐する高次モード用導波路を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明により、誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器において、該マッハツェンダー型導波路の出射側のＹ合波部の合波後の導波路がマルチモード導波路であり、該マルチモード導波路をシングルモード導波路となる出力主導波路に変更する箇所に高次モード用導波路である出力副導波路を接続しているため、２つの分岐導波路が結合する部分にモードが大きく変化したり、漏洩する領域（シングルモード導波路）が無いためモード不整合光の発生が抑制される。さらに、該マルチモード導波路は、長さが１５０μｍ以上であるため、２つの分岐導波路の結合部で発生したモード不整合光が出力主導波路や出力副導波路と再結合することも距離的に抑制され、放射モード光や出力光にモード不整合光が混入することもない。
【００１８】
請求項２に係る発明により、２本の出力副導波路が、出力主導波路を挟み、かつ、該出力主導波路を中心に線対称となるように配置されているため、放射モード光を該出力副導波路により安定して導出することが可能となる。
【００１９】
請求項３に係る発明により、Ｙ合波部で結合する２つの分岐導波路の各々の幅は、出力主導波路の幅より狭く、出力副導波路の幅は、該分岐導波路の幅よりも狭いため、分岐導波路の結合部でのモード径と、ＯＮ状態の光波が出力されるシングルモード導波路となる出力主導波路のモード径とをほぼ一致させることができ、出力光を出力主導波路から効率良く導出することができる。
【００２０】
請求項４に係る発明により、誘電体基板の厚みは、２０μｍ以下であるため、モード不整合光の影響が、顕著に現れることから、モード不整合光の抑制が必須となる。このため、本発明の光変調器の構成を適用することで、光変調器を駆動するための駆動電圧を低減し、また、駆動信号と伝搬光との速度整合を図りながら、モード不整合光の抑制も可能となる。
【００２１】
請求項５に係る発明により、マッハツェンダー型導波路の入射側のＹ分岐部に至るまでの入力導波路の途中に、該入力導波路から分岐する高次モード用導波路を設けるため、光入力部で発生し入力導波路を伝搬している高次モード光を、高次モード用導波路で除去することができるため、Ｙ分岐部での光波の分岐比を１対１に近づけることが可能となる。分岐比が１対１でない場合、Ｙ合波部で、変調とは無関係な高次モードが発生する。この不要光は、出力主導波路や出力副導波路に混入し、消光比等の特性が劣化する。入射部に高次モード用導波路を付加することで、不要光の発生率をさらに抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ＭＺ型導波路のＹ合波部における不整合光や放射モード光の発生状況を説明する図である。
【図２】本発明の光変調器に利用されるＹ合波部近傍の導波路形状を説明する図である。
【図３】Ｙ合波部近傍の導波路形状の差異による効果の違いを説明する図である。
【図４】入力導波路に高次モード用導波路を接続した様子を示す図である。
【図５】図３（ａ）及び（ｂ）の２つの導波路形状における、結合長と出力副導波路の最大光強度との関係を示すグラフである。
【図６】図３（ｂ）の導波路形状における２つの分岐導波路の結合部分のギャップ（ｇａｐ）を、０μｍ（理想値）と、０．８μｍ（実際に実施できる幅）との場合で、結合長と出力副導波路の最大光強度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の光変調器について、以下に詳細に説明する。
図２は、本発明の光変調器に利用されるＹ合波部近傍の導波路形状を示す図である。
本発明の特徴は、誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器において、該マッハツェンダー型導波路の出射側のＹ合波部の合波後の導波路２がマルチモード導波路であり、該マルチモード導波路（２）をシングルモード導波路となる出力主導波路（３）に変更する箇所（領域Ｂと領域Ｃとの境目）に高次モード用導波路である出力副導波路（４）を接続していることを特徴とする。符号１は、ＭＺ型導波路のアームであり、Ｙ合波部で結合する２つの分岐導波路を示している。
【００２４】
光変調器の出力光の光強度Ｐｃ及び放射モード光の光強度Ｐ±は、ＭＺ型導波路の各アーム間の位相差をΦ、カプラ部での基本モードと高次モードの位相差をδ、基本モード光が両脇の出力副導波路に漏れる割合をe2とすると、以下の数１に示す式となる。しかしながら、従来の光強度は、上述したようにＹ合波部でのモード不整合光が高次モード用導波路である出力副導波路に再結合するため、数１に示す式にあてはまらないが、本発明の光変調器の場合は、これらの式に近い値を得ることが出来る。
【００２５】
【数１】
2010237376.tif 000003
【００２６】
本発明では、２つの分岐導波路が結合する部分（Ｙ合波部）にモードが大きく変化したり、漏洩する領域（シングルモード導波路）が無いためモード不整合光の発生（導波路外への漏洩）が抑制される。さらに、該マルチモード導波路は、長さが１５０μｍ以上であるため、発生したモード不整合光が出力主導波路や出力副導波路と再結合することも抑制され、放射モード光や出力光にモード不整合光が混入することもない。さらに、本発明のマルチモード導波路の形状は、マルチモード導波路の幅がほぼ一定、あるいは、１５０μｍ以上かけて緩やかに増加するなど、マルチモード導波路の幅の変化が極めて緩やかとなっている。これに対し、図３（ａ）のように、シングルモード導波路に変化したりするなどのように、光が漏れやすい導波路は、本発明のマルチモード導波路の形状としては好ましくない。
【００２７】
本発明の効果を確認するため、図３の（ａ）と（ｂ）に示すように、２種類のＹ合波部近傍の導波路形状について、試算（シミュレーション）を行った。図３（ａ）は、２分岐導波路と３分岐導波路との間の結合部において、シングルモード導波路を含むように導波路の幅が変化する場合であり、ｗ１＝３．５μｍ，ｗ２＝ｗ４＝８μｍ，ｗ３＝３μｍ，ｗ５＝４μｍ及びｗ６＝１μｍと仮定した。
【００２８】
図３（ｂ）は、本発明の光導波路に係るＹ合波部近傍の導波路形状を示すものであり、結合部がマルチモード導波路のみを示している。具体的には、ｗ１＝３．５μｍ，ｗ２＝ｗ４＝８μｍ，ｗ５＝４μｍ及びｗ６＝１μｍと仮定した。
【００２９】
図５は、結合長Ｌの長さの変化に対する、高次モード用導波路である出力副導波路（放射モード光を導出する導波路）における最大光強度(ＭＺ型変調器がＯＦＦ状態の時の出力光強度)の変化を示す。図５に示すように、図３（ａ）と（ｂ）との間には、明確な差が確認される。結果として、結合部をマルチモード導波路にすることによって、安定した光量を得ることができる。なお、伝搬する光波の波長がより短くなると、仮に、結合部の結合長Ｌが一定でも、光波にとって結合長がより長く感じることとなる。このため、図３（ａ）の構造では、光波の波長が短くなる程、一般的に、光強度変化が大きくなり、所謂、波長依存性が大きい光強度変化を示す。これに対し、図３（ｂ）の方では、光強度変化も少ないため、波長依存性も抑制できることが容易に理解される。
【００３０】
次に、Ｙ合波部近傍の導波路形状を図３（ｂ）の形状とし、２つの分岐導波路を結合させた際のギャップ（ｇａｐ）を、０μｍ（理想値）と、０．８μｍ（実際に実施できる幅）との場合で、出力副導波路から出力される最大光強度を計算比較した。その結果を図６に示す。
【００３１】
図６を参照すると、ｇａｐが０μｍの場合には、結合部の長さＬを変えても変化しないが、ｇａｐが０．８μｍの場合には、結合部が長くなるにしたがい、出力副導波路から出力される最大強度が減少することが分かる。これは、ｇａｐを０．８μｍにすることによって、ＭＺアーム（分岐導波路）と結合部の導波路部との間で屈折率分布が変化するため、モード不整合光が生じることによる。
【００３２】
つまり、結合長Ｌが１５０μｍより短い範囲では、モード不整合光が出力副導波路と再結合するため、理想状態と同程度の高い光強度を示すが、結合長Ｌが１５０μｍ以上となると、モード不整合光が出力副導波路と再結合する確率が低減し、最大強度が結合部の導波路長が長くなるにしたがい、減少することとなる。光学的な特性劣化を抑制するには、このモード不整合光を出力副導波路と結合させないことが求められ、このような条件は、結合導波路部の長さＬが１５０μｍ以上必要であることが理解される。
【００３３】
また、本発明の光変調器では、図２に示すように、２本の出力副導波路４が、出力主導波路３を挟み、かつ、該出力主導波路を中心に線対称となるように配置するのが好ましい。これにより、高次モード光である放射モード光を信号出力光から再現良く分離し導出することが可能となる。
【００３４】
また、本発明の光変調器では、図３（ｂ）に示すＹ合波部で結合する２つの分岐導波路の各々の幅ｗ１は、出力主導波路の幅ｗ５より狭く、出力副導波路の幅ｗ６は、該分岐導波路の幅ｗ１よりも狭いため、分岐導波路の結合部でのモード径と、ＯＮ状態の光波が出力されるシングルモード導波路となる出力主導波路のモード径とをほぼ一致させることができる。これにより、出力光を出力主導波路３から効率良く導出することができる。
【００３５】
本発明の光変調器に利用される誘電体基板は、電気光学効果を有する基板が好適であり、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、具体的には、これら単結晶材料の、Ｘカット板、Ｙカット板、及びＺカット板から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いることが好ましい。さらに、本発明は、誘電体基板の厚みが２０μｍ以下のものに対して好適に適用することが可能である。それは、モード不整合光が薄板内に閉じ込められ易い場合でも、本発明を適用しモード不整合光の発生を抑制できるため、放射モード光や出力光にモード不整合光が混入することが効果的に抑制されるためである。
【００３６】
光導波路は、基板上に、例えばチタン（Ｔｉ）などを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることで形成することができる。また、別の方法として、光導波路に対応する部分にリッジ構造を形成し、光導波路を構成することも可能である。さらに上述のＴｉ等を利用する方法とリッジ構造とを併用することも可能である。
【００３７】
さらに、本発明の光変調器は、図４に示すように、マッハツェンダー型導波路の入射側のＹ分岐部６に至るまでの入力導波路５の途中に、該入力導波路５から分岐する高次モード用導波路７を設けることが好ましい。この構成により、光入力部で発生し入力導波路を伝搬している高次モード光を、高次モード用導波路で除去することができるため、Ｙ分岐部６での光波の分岐比（ａ１：ａ２）を１対１に近づけることが可能となり、Ｙ合波部での不要光の発生率をさらに抑制することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、ＭＺ型導波路のＹ合波部におけるモード不整合光の発生やモード不整合光の放射モード光や出力光への混入を抑制すると共に、放射モード光と出力光を効率良く分離抽出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。
【符号の説明】
【００３９】
１  分岐導波路
２  結合導波路
３  出力導波路
４  出力副導波路
【図１】
2010237376.tif 000004
【図２】
2010237376.tif 000005
【図３】
2010237376.tif 000006
【図４】
2010237376.tif 000007
【図５】
2010237376.tif 000008
【図６】
2010237376.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月26日(2010.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器において、
該マッハツェンダー型導波路の出射側のＹ合波部は、２つの分岐導波路がギャップを有して結合すると共に、合波後の導波路がマルチモード導波路であり、
該マルチモード導波路をシングルモード導波路となる出力主導波路に変更する箇所に高次モード用導波路である出力副導波路を接続し、
該マルチモード導波路は、長さが１５０μｍ以上であることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調器において、２本の該出力副導波路が、該出力主導波路を挟み、かつ、該出力主導波路を中心に線対称となるように配置されていることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光変調器において、該Ｙ合波部で結合する２つの分岐導波路の各々の幅は、該出力主導波路の幅より狭く、該出力副導波路の幅は、該分岐導波路の幅よりも狭いことを特徴とする光変調器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該誘電体基板の厚みは、２０μｍ以下であることを特徴とする光変調器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調器において、該マッハツェンダー型導波路の入射側のＹ分岐部に至るまでの入力導波路の途中に、該入力導波路から分岐する高次モード用導波路を設けることを特徴とする光変調器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器において、該マッハツェンダー型導波路の出射側のＹ合波部は、２つの分岐導波路がギャップを有して結合すると共に、合波後の導波路がマルチモード導波路であり、該マルチモード導波路をシングルモード導波路となる出力主導波路に変更する箇所に高次モード用導波路である出力副導波路を接続し、該マルチモード導波路は、長さが１５０μｍ以上であることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
請求項１に係る発明により、誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器において、該マッハツェンダー型導波路の出射側のＹ合波部は、２つの分岐導波路がギャップを有して結合すると共に、合波後の導波路がマルチモード導波路であり、該マルチモード導波路をシングルモード導波路となる出力主導波路に変更する箇所に高次モード用導波路である出力副導波路を接続しているため、２つの分岐導波路が結合する部分にモードが大きく変化したり、漏洩する領域（シングルモード導波路）が無いためモード不整合光の発生が抑制される。さらに、該マルチモード導波路は、長さが１５０μｍ以上であるため、２つの分岐導波路の結合部で発生したモード不整合光が出力主導波路や出力副導波路と再結合することも距離的に抑制され、放射モード光や出力光にモード不整合光が混入することもない。