(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＮ導波路と、
前記ＬＮ導波路の両端に突き合わせ接続された第１及び第２のＰＬＣと
を備える光変調器であって、
前記ＬＮ導波路並びに前記第１及び第２のＰＬＣは、上アーム及び下アームを有するＭＺＩを構成し、
前記ＬＮ導波路にＤＣバイアス調整用電極が配置され、
前記第１または第２のＰＬＣに、ＤＣバイアス電圧が小さくなるように前記上アーム又は前記下アームの位相を非可逆的にトリミングする位相トリミング部が配置されていることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記位相トリミング部は、前記上アームと前記下アームとの間の位相差をπ変えるために前記ＬＮ導波路に印加される電圧をＶπ、前記ＬＮ導波路の第１段階のＤＣドリフト後のＤＣバイアス電圧をＶｃとして、
−Ｖπ／１０＜Ｖｃ＜Ｖπ／１０
を満たすように屈折率が調整されていることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記位相トリミング部は、前記上アームと前記下アームとの間の位相差をπ変えるために前記ＬＮ導波路に印加される電圧をＶπ、前記ＭＺＩを強度変調器として動作させる際の初期ＤＣバイアス電圧をＶBとして、
−Ｖπ／１０＜ＶB＜Ｖπ／１０
を満たすように屈折率が調整されていることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項４】
前記ＭＺＩは、前記上アーム及び前記下アームがそれぞれＭＺＩを構成するネストＭＺＩであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器に関し、より詳細には、ＬＮ変調器を備える光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板上にチタン（Ｔｉ）拡散を用いて光導波路を形成したＬＮ変調器は、高速変調が可能で、光通信システムの重要なデバイスであり、例えば４０Ｇｂｉｔ／ｓ用のＤＱＰＳＫ変調器や１００Ｇｂｉｔ／ｓ用偏波多重ＱＰＳＫ変調器等の開発が進められている。
【０００３】
一方で、ＬＮ変調器には「ＤＣドリフト」という問題がある。ＬＮ変調器の典型的な強度変調時の動作原理と、ＤＣドリフトという現象について以下で説明する。
【０００４】
図１は、典型的なＬＮ変調器の例である。ＬＮ基板１０１上に、マッハツェンダ型干渉計（ＭＺＩ）を構成する２本の光導波路１０２、１０３が形成され、それらの間に、高周波（ＲＦ）用電極１０４と、ＤＣバイアス調整用電極１０５とが配置されている。
【０００５】
図２（非特許文献１参照）において、二次元座標軸の縦軸に光出力、横軸にバイアス電圧をとる。ＬＮ強度変調器の変調曲線（トランスファー・カーブ）はｃｏｓ２乗の関数曲線となる。ここで、バイアス電圧としてＶ0を加えた時には光出力は０となり、Ｖ1を加えた時には光出力は最大となる。但し、このＶ0、Ｖ1については、図１のＲＦ用電極１０４に加えた時の値であって、ＤＣバイアス調整用電極１０５に加えた時には、位相変化が電極長により異なるため、異なる電圧値になる。強度変調時には、電気デジタル信号の振幅の最大値と最小値の中心に対応する動作点が、図２のように、ｃｏｓ２乗関数の中間点に一致するように、ＤＣバイアス電圧ＶBを設定する。その結果、図の動作点を中心に、電気光学効果を介して電気デジタル信号が光デジタル信号に変換される。ＬＮ変調器に特有なＤＣドリフトという現象とは、この変調曲線が時間とともに横軸方向に移動する現象である。その結果、ＤＣバイアス電圧も、初期ＤＣバイアス電圧ＶBから横軸方向に移動する。なお、図中の電圧Ｖπとは、ＬＮ導波路中を伝搬する信号光の位相を半波長変化させる印加電圧に対応する。
【０００６】
このＤＣドリフトは、ＬＮの結晶欠陥等による固有の問題であり、本質的解決は難しいことが知られている。そのため、現状は、動作時間の増加に伴い増加していく長期のＤＣドリフトを、一定電圧以下、例えば±３０Ｖ以下になるように設計し、ＤＣバイアス調整用電極１０５に加えるＤＣバイアス電圧を、出力光をモニタしたりして、図２のように変調曲線の中心になるように調整しながら用いている。
【０００７】
具体的には、図３（非特許文献２参照）のようなバイアス制御回路を設け、電子フィードバック機能によって、上述したように、動作点がｃｏｓ２乗の関数曲線の中間点に一致するように設計する。
【０００８】
図３では、ＬＮ変調器のＲＦ用電極を、ＤＣバイアス調整用電極としても兼用しているため、バイアスＴ回路を用いているが、図１のようにＲＦ用電極１０４と、ＤＣバイアス調整用電極１０５に分けてもよい。そのときには、バイアスＴ回路を用いず、ドライバ、ＤＣバイアス印加回路から各々独立に電気信号を入力することになる。
【０００９】
ここで、ＬＮ変調器のＤＣバイアス電圧およびＤＣドリフトの特徴を説明する。
【００１０】
（１）動作開始時の初期ＤＣバイアス電圧ＶBの大きさは、位相差をπ変えるための電圧Ｖπ以内であり、その値は、作製時のＭＺＩの両アームの位相誤差によって生じる。作製時にこの電圧ＶBを０Ｖに作り込みで制御するのは難しく、現実的には−Ｖπから＋Ｖπの間のランダムな値となる。
【００１１】
（２）その後の経時的なＤＣドリフトにより変動していくＤＣバイアス電圧は、図４（非特許文献４参照）のように３段階に分けられる。図４の結果は、初期ＤＣバイアス電圧ＶBを４．５Ｖとし、その後のＤＣバイアス電圧を最適な状態で調整し続け、動作点ロッキング法で測定した。温度は１３０℃としている。その第１段階は、比較的短時間に大きく変動して終了する（非特許文献３、４参照）。例えば図４の例では、初期バイアス電圧ＶBが４．５Ｖであり、その第１段階のＤＣドリフト変動分ＶB1を加えると、約７Ｖの変動が１０時間程度で起こっている。この変動時間は、温度や試料によりかなりバラツキがあり、ずっと短時間で終了することもある。ここで、図４の曲線の傾き、すなわちＤＣドリフト率は、ドリフト率が異なる３個の領域に分けられることが知られている。学会等でそのメカニズム等が議論されてきた（非特許文献３参照）。このＤＣドリフト率の異なる３個の領域を、順にＤＣドリフトの第１段階、第２段階、第３段階と呼ぶことにする。
【００１２】
（３）ＤＣバイアス電圧は、印加した電圧が大きいほど大きくなる。従って、初期バイアス電圧ＶB及び第１段階のＤＣドリフト変動分ＶB1が大きいほど、図５（非特許文献４参照）に示すようにその後のＤＣドリフトは大きくなる。図５の結果は、温度を７０℃として、初期ＤＣバイアス電圧をパラメータとして変化させた時のＤＣドリフトを測定したものである。なお、図５は７０℃でのＤＣドリフトであり、図４の１３０℃よりずっと低温であるため、ＤＣドリフトの変動がゆっくりになる。この変動は第１段階に対応するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】住友大阪セメント株式会社、「ＬＮ変調器について」、２頁、[online]、インターネット<URL:http://www.socnb.com/product/hproduct/ln_appnote02.html>
【非特許文献２】住友大阪セメント株式会社、「ＬＮ変調器について」、３頁、[online]、インターネット<URL:http://www.socnb.com/product/hproduct/ln_appnote03.html>
【非特許文献３】宮澤他、「Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3光変調器のＤＣドリフト」、電子情報通信学会、SA-9-3、１９９４年
【非特許文献４】H. Nagata, et. al., ‘‘Reliability of LiNbO3 based integrated optical waveguide devices for fiber communication systems,’’ Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 531, p.365.
【非特許文献５】B. Malo, et. al., ‘‘Enhanced photosensitivity in lightly doped standard telecommunication fibre exposed to high fluence ArF excimer laser light,’’ Electron. Lett., Vol. 31, p. 879, 1995.
【非特許文献６】J. Canning et al., Compensation of birefringence within integrated optical components using a CO2 laserElectron. Lettl vol.35 no.10 (1999) pp.812-814.
【非特許文献７】T. Mizuno, et al.,‘‘Birefringence and path length adjustment of silica-based waveguide using permanent heater,’’ Electron. Lettl vol.40 no.6 (2004) pp.371-372.
【非特許文献８】田中拓也、「ＵＶ誘起グレーティングとＬＤをハイブリッド集積した外部共振器レーザに関する研究」、東京大学、工学博士論文、２００６年
【非特許文献９】M. Abe, et al., ‘‘Mach-Zehnder interferometer and arrayed-waveguide-grating integrated multi/demultiplexer with photosensitive wavelength tuning,’’ Electronic Letters, Vol. 37, No. 6, pp.376-377, 2001.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＬＮ変調器を備える光変調器において、ＤＣドリフトを低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、ＬＮ導波路と、前記ＬＮ導波路の両端に突き合わせ接続された第１及び第２のＰＬＣとを備える光変調器であって、前記ＬＮ導波路並びに前記第１及び第２のＰＬＣは、上アーム及び下アームを有するＭＺＩを構成し、前記ＬＮ導波路にＤＣバイアス調整用電極が配置され、前記第１または第２のＰＬＣに、ＤＣバイアス電圧が小さくなるように前記上アーム又は前記下アームの位相を非可逆的にトリミングする位相トリミング部が配置されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記位相トリミング部が、前記上アームと前記下アームとの間の位相差をπ変えるために前記ＬＮ導波路に印加される電圧をＶπ、前記ＬＮ導波路の第１段階のＤＣドリフト後のＤＣバイアス電圧をＶｃとして、−Ｖπ／１０＜Ｖｃ＜Ｖπ／１０を満たすように屈折率が調整されていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第３の態様は、第１の態様において、前記位相トリミング部が、前記上アームと前記下アームとの間の位相差をπ変えるために前記ＬＮ導波路に印加される電圧をＶπ、前記ＭＺＩを強度変調器として動作させる際の初期ＤＣバイアス電圧をＶBとして、−Ｖπ／１０＜ＶB＜Ｖπ／１０を満たすように屈折率が調整されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第４の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、前記ＭＺＩは、前記上アーム及び前記下アームがそれぞれＭＺＩを構成するネストＭＺＩであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ＭＺＩを構成するＰＬＣ−ＬＮ変調器において、ＰＬＣ部分に、ＭＺＩの上アーム又は下アームの位相を非可逆的にトリミングする位相トリミング部を配置することにより、ＤＣドリフトを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】典型的なＬＮ変調器の例を示す図である。
【図２】従来のＬＮ変調器の動作を説明するための図である。
【図３】従来のＬＮ変調器のバイアス制御回路を示す図である。
【図４】従来のＬＮ変調器のＤＣバイアス電圧と動作時間との関係を示す図である。
【図５】従来のＬＮ変調器のＤＣドリフトと初期ＤＣバイアス電圧との関係を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る光変調器を示す平面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る光変調器の接続関係を説明するための斜視図である。
【図８】石英系ＰＬＣにおける、屈折率変化ΔｎのＵＶ光照射時間依存性の例を示す図である。
【図９】ＰＬＣ−ＬＮ集積技術を用いたＱＰＳＫ変調器で、位相トリミング部を設けた例を示す図である。
【図１０】Ｙ分岐の一部を取り込んだＰＬＣ−ＬＮ変調器の例を示す図である。
【図１１】ＰＬＣ−ＬＮ集積技術を用いたＤＰ−ＱＰＳＫ変調器の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図６は、本発明の第１の実施形態に係る光変調器を示す平面図であり、図７は、本実施形態に係る光変調器の接続関係を説明するための斜視図である。光変調器６００は、ＬＮ変調器６０１の両端に第１及び第２のＰＬＣ６０２、６０３が突き合わせ接続（バットジョイント）されたＰＬＣ−ＬＮ変調器である。第１のＰＬＣ６０２の入力ポートには、第１のファイバブロック６０４を介して、光信号入力側光ファイバ６０５が接続され、第２のＰＬＣ６０３の出力ポートには、第２のファイバブロック６０６を介して、光信号出力側光ファイバ６０７が接続されている。図７において、ＬＮ変調器６０１、第１及び第２のＰＬＣ６０２、６０３の各端面付近の上面上に配置されているのはヤトイである。ここで、「ＰＬＣ」とは、Ｓｉ基板上にＳｉＯ2系ガラスを主成分とする光導波路を形成した石英系平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）を言う。一般に、ＬＮ変調器は、伝搬損失や許容曲げ半径がＰＬＣと比べて大きく、可変カプラ、折返し、偏波合成回路等の複雑な光回路の構成に不向きであるが、ＬＮ変調器とＰＬＣを組み合わせたＰＬＣ−ＬＮ変調器は、ＬＮ変調器の優れた特性はそのままで、ＰＬＣの優れたパッシブ回路の特徴を生かすことができ、例えば、回路全体を小型にしたり全体の損失を低減したりすることが可能であることを付記しておく。
【００２３】
光変調器６００は、ＬＮ変調器６０１の光導波路と、第１及び第２のＰＬＣ６０２、６０３の光導波路とを端面でアクティブに調心して、ＵＶ接着剤で接続し、その後、両端に第１及び第２のファイバブロック６０４、６０６を接続することにより作製することができる。必要に応じて、この作製したＰＬＣ−ＬＮ−ＰＬＣチップをモジュールパッケージに接着固定する。
【００２４】
本実施形態に係る光変調器６００は、ＬＮ変調器６０１のＤＣドリフトを低減するために、第２のＰＬＣ６０３に、ＭＺＩの上アーム又は下アームの位相を非可逆的にトリミングする位相トリミング部６１０を有する。発明者らは、ＬＮ変調器単体ではなく、ＰＬＣ−ＬＮ変調器においては、ＰＬＣ部分の位相調整機能を活用して位相トリミングすることにより、初期ＤＣバイアス電圧ＶBの値、あるいは、初期ＤＣバイアス電圧ＶBと第１段階のＤＣドリフト変動分ＶB1の合計の値を低減可能なことを見出した。その結果、図４を参照して説明した、第２段階、第３段階といった長期的なドリフトを従来のＬＮ変調器より低減することができる。以下、トリミング部６１０について詳説する。
【００２５】
ＰＬＣ−ＬＮ変調器が有するＭＺＩの上アーム・下アーム間の位相を厳密に一致させることは難しく、前述の通り、初期ＤＣバイアス電圧ＶBは、図２から−Ｖπ＜ＶB＜＋Ｖπの値となる。例えば、Ｖπ＝４．０Ｖの時は、−４．０Ｖ＜ＶB＜４．０Ｖとなる。上記のＤＣドリフトの説明ではＬＮ変調器に関して説明したが、ＰＬＣ−ＬＮ変調器でも問題は同様である。ＬＮ基板部分に起因するＤＣドリフトは同様に存在する一方で、それ以外の部分、ＰＬＣ、あるいはＰＬＣとＬＮ導波路との接続部分において新たなＤＣドリフト成分は発生しないからである。
【００２６】
トリミング部６１０の作製にあたり、まず、図４を参照して説明した第１段階のＤＣドリフトを起こさせる。たとえば、温度を９０℃に加熱した状態で、図２を参照して説明したように電気デジタル信号で駆動すると共に、その中心のＤＣバイアス電圧が図２の動作点になるようにバイアス制御回路で調整し続けながら第１段階が終了するまで一定時間駆動する。なお、第１段階の終了は、ＤＣドリフトの傾きであるドリフト率の変化により判断する。
【００２７】
次に、上記一定時間の駆動により生じたＤＣドリフトをトリミングするための位相トリミング部６１０を第２のＰＬＣ６０３に設ける。その方法としては、（１）ＵＶ光照射を用いる方法（非特許文献５参照）、（２）ＣＯ2レーザを照射する方法（非特許文献６参照）、（３）光導波路上に装荷したヒータに電流を流すヒータトリミング法（非特許文献７参照）を挙げることができる。
【００２８】
（１）及び（２）の方法では、第２のＰＬＣ６０３の光導波路の一部に、レーザを照射することにより位相トリミング部６１０が形成される方法が既に確立している。これは通常の光導波路で可能であり、特別な構造は不要である。（３）の方法は、光導波路近傍に光導波路を加熱するためのヒータを設けて加熱することにより光導波路の屈折率を非可逆に変化させ、それにより位相を変化させることができる。いずれも既に十分実績のある技術である。本発明に係る光変調器は、ＬＮ変調器単体ではなくＰＬＣ−ＬＮ変調器を構成し、かつ、ＰＬＣ部分において位相トリミングを行うことにより、ＬＮ変調器単体において生じるＤＣドリフトを低減するものであり、位相トリミング部６１０の作製方法は、こうした周知の技術を用いればよい。
【００２９】
（１）のＵＶ光照射を用いる方法を例に取り、位相トリミング部６１０の作製方法について詳細に記述する。まず、１００ｍＪ／ｐｕｌｓｅのＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）をシリンドリカルレンズで１．１Ｊ／ｃｍ2に集光して、パルス光の繰り返し速度２０ｐｕｌｓｅ／ｓｅｃで光導波路に照射すると、ＰＬＣの実効屈折率が、約１０-3変動することが知られている（非特許文献５、８）。したがって、例えば、５ｍｍの長さの光導波路にこのＵＶ光を照射することにより、波長１．５５μｍで位相４π以上の変化を与えることができる。その結果、ＤＣバイアス電圧を低減させることが可能である。なお、ＤＣバイアス電圧の変化の向きを逆にするためには、即ちアーム間の位相の調整の向きを逆にするためには、位相トリミング部６１０を設けるアームを他方のものにすればよい。
【００３０】
以上により、±２πの位相変化を与えることが可能である。その結果、ＬＮ変調器において通常行われる出力光、あるいは出力光の一部をモニタすることにより、位相トリミング部の屈折率を調整し、第１段階後のＤＣバイアス電圧Ｖｃを−Ｖπ／１０＜Ｖｃ＜Ｖπ／１０を満たすようにすることが可能である。例えば、Ｖπ＝４．０ＶのＰＬＣ−ＬＮ変調器については、ＤＣバイアス電圧Ｖｃを０．４Ｖ以下にできる。原理上は、Ｖｃを０に近づけることが望ましく、実装上の観点から、Ｖπ／５以下、より好ましくはＶπ／１０以下にするのが望ましい。
【００３１】
あるいは、非特許文献９には、ＴＥモード、ＴＭモード各々の屈折率変化の実験値が示されている。石英系ＰＬＣにおいて、ＴＥモード及びＴＭモードの各々の屈折率Δｎは、波長１９３ｎｍのＵＶ光を、照射パワー１２５ｍＪ／ｃｍ2/ｐｕｌｓｅで、繰り返し率２０ｐｐｓで照射することにより図８のように変化する。ここで、ＬＮ位相変調器で用いられるＴＭモードで考えると、例えば１０ｍｍの石英系ＰＬＣに、上記条件でＵＶ光を２００分照射すると、Δｎ＝２．５×１０-4であるので、波長１．５μｍの光信号が受ける位相変化量は、約１０となる。また、ＭＺＩの反対側の位相シフタにＵＶ光を照射した場合には、その逆方向に位相を約１０変化することが可能である。これは、ＵＶ光照射による位相変化量として、プラス方向にもマイナス方向にも２π以上の位相変化を与えることが可能であることを意味する。一方、図８から明らかなように、ＵＶ光照射により位相は連続的に変化している。以上のことから、ＭＺＩの光出力光強度をモニタしながらＵＶ光を照射すれば、図２において動作点となるＤＣバイアス電圧を０Ｖに調整することが原理的に可能である。
【００３２】
なお、上記では第１段階後のＤＣバイアス電圧Ｖｃを、位相トリミングにより低減する例を示したが、より簡易に、動作開始時の初期ＤＣバイアス電圧ＶBのみを位相トリミングで低減しても、その後の長期のＤＣドリフトを低減する効果がある。
【００３３】
以上、（１）のＵＶトリミングを例に取り、その位相トリミングによる、ＤＣバイアス電圧の低減について詳細に述べたが、（２）ＣＯ2レーザを照射することによる位相トリミング、（３）ＰＬＣに装荷したヒータに電流を流すヒータトリミング法についても全く同様の方法で同様の効果を得ることが可能である。
【００３４】
また、本実施形態では単純なＭＺＩの強度変調器の例を説明した。これは基本的な考え方であって、細かい動作点の電圧や変調器の構成に拘束されるものではない。例えば、バイアス制御の動作点の電圧は、図２の変調曲線のピークやボトムに対応させてもよい。
【００３５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態の位相トリミング部は、各種多値変調器にも応用することが可能である。それら多値変調器は、基本的にＭＺＩ等の干渉計の組合せによって構成されているためである。
【００３６】
図９においては、Ｉ変調器、Ｑ変調器、ネストＭＺＩ部の各々において同様に、ＬＮ起因のＤＣドリフトが存在する。そのためこの３個のＭＺＩにおいて同様のＤＣバイアス電圧の調整を行えばよい。
【００３７】
なお、ここでネストＭＺＩ部の位相調整は、変調のＤＣドリフト電圧の調整ではなく、Ｉ変調器とＱ変調器の位相をπ／２ずらす目的であるが、結果的に位相調整が必要な点は同じであるのでここでは同様に扱う。
【００３８】
なお、ネストＭＺＩ部のアームの位相は、Ｉ変調器、Ｑ変調器の部分でも調整可能なため、ネストＭＺＩ部の位相トリミングをＩ変調器やＱ変調器の各位相トリミング部で行うことも可能である。その時には、ネストＭＺＩ部の位相トリミング部は不要となる。
【００３９】
また、本構造は、同様の効果を得られるＰＬＣ−ＬＮ変調器に拡張可能である。例えば、図１０のようなＹ分岐を一部ＬＮ導波路に取り込んだＰＬＣ−ＬＮ変調器も可能であるが、そのときにもＰＬＣ上に位相トリミング部を設ければ適用可能である。
【００４０】
また、デジタルコヒーレント通信システム用、変調器として有望な、図１１に示すような１００Ｇ  ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器にも同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００４１】
６００  光変調器
６０１  ＬＮ導波路
６０２  第１のＰＬＣ
６０３  第２のＰＬＣ
６０４  第１のファイバブロック
６０５  光信号入力側光ファイバ
６０６  第２のファイバブロック
６０７  光信号出力側光ファイバ
６０８  高周波（ＲＦ）用電極
６０９  ＤＣバイアス調整用電極
６１０  位相トリミング部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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