(57)【要約】【課題】ＬＮ導波路およびＰＬＣ導波路を有する光変調器において、熱応力による機械的信頼性の低下を抑制すること。【解決手段】光変調器１００は、ＬＮ導波路１１１及びＰＬＣ導波路１１２で構成されたＰＬＣ−ＬＮチップ１１０と、ＰＬＣ−ＬＮチップ１１０を収納するパッケージ１４０と、パッケージ１４０のパイプ部１４０Ａを通るファイバ１３０と、ファイバ１３３０をＰＬＣ１１２に接続するファイバブロック１２０とを備える。ＬＮ導波路１１１がパッケージ１４０に固定されている。パイプ部１４０Ａ内にはフェルール１５０が挿入されており、その端面１５０Ａで、ファイバ１３０の一端が固定されている。ファイバ１３０の他端はファイバブロック１２０との接点で固定されている。この二点の間のファイバ１３０の長さΔＬmax（以下「ファイバ自由長」と言う。）が式（２）の関係ΔＬmax／Ｌfiber＜０．０１２５を満たす。【選択図】図１
2011150089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＮ導波路およびＰＬＣ導波路を有する光変調器において、
ＰＬＣ導波路及びＬＮ導波路で構成されたＰＬＣ−ＬＮチップと、
前記ＰＬＣ−ＬＮチップを収納するパッケージと、
前記パッケージが有するパイプ部を通るファイバであって、前記パイプ部に固定されたファイバと、
前記ファイバを前記ＰＬＣ導波路に接続するファイバブロックと
を備え、
前記ＬＮ導波路は、前記パッケージに固定され、
前記ファイバと前記ファイバブロックとの接点と、前記ファイバの前記パイプ部における固定点との間の長さをＬfiber、前記光変調器の最大使用温度範囲にわたる熱膨張による前記パッケージの変位量と、前記熱膨張による前記ＰＬＣ導波路、前記ファイバブロック及び前記ファイバの変位量との差をΔＬmaxとして、
ΔＬmax／Ｌfiber＜０．０１２５
の関係を満たすことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記ファイバにはメタルフェルールが接続され、
前記メタルフェルールは前記パイプ部にハンダ付けにより固定され、
前記メタルフェルールの前記パッケージの内部側の端面が、前記パイプ部の内部に位置することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記ファイバを前記パイプ部に固定する際に、前記ファイバが前記パッケージ内にΔＬmax／２以上押し込まれることを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記ファイバブロックは、前記パッケージの前記パイプ部の中心位置からずらして配置され、前記ファイバがＳ字形状に屈曲されていることを特徴とする請求項１又は２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、ＰＬＣ導波路およびＬＮ導波路を備える光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネット等により通信トラフィックの大容量化が求められている。そのため、波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいて、１チャネル当たりの伝送速度の増加や波長数の増加が求められている。具体的には、ＷＤＭシステムの伝送には４０Ｇｂｉｔ／ｓや１００Ｇｂｉｔ／ｓといった高い伝送速度が求められている。しかし、高速化のために変調シンボルレートを高くすると、分散耐性が急激に劣化し、伝送距離が縮小してしまうという問題がある。また、信号スペクトルの広がりも大きくなるため、波長分割多重（ＷＤＭ)伝送におけるフィルタの帯域やチャネル間隔を大きくとらなければならないという問題もある。そこで、シンボルレートを上げずにビットレートを大きくする多値化技術、多重化技術の必要性が高まっている。
【０００３】
このような背景から、実際にチャネル当たり４０Ｇｂｉｔ／ｓや１００Ｇｂｉｔ／ｓの超高速伝送が実現または提案されている。こうした多値変調器の１例として、ニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ3）基板にチタン（Ｔｉ）拡散を用いて光導波路を形成したＬＮ光変調器が有望であり、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。
【０００４】
このＬＮ変調器は、光通信システムの重要な光部品であり、その信頼性の向上が求められている。高信頼化には、ＬＮ変調器を筐体（パッケージ）に気密封止する実装技術が大きな影響を持ち、研究が進められている。
【０００５】
一方、図４に示すように、ＬＮ基板と、Ｓｉ基板上にＳｉＯ2系ガラスを主成分とする石英系光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）を組み合わせて変調器を構成する従来例も報告されている（特許文献１及び２参照）。図４では、位相シフタの部分にのみＬＮ基板２２０を用い、引き回しのための光導波路には石英系のＰＬＣ２１０、２３０を用いている。このため、ＬＮ光導波路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る。例えば、回路全体を小型にしたり、全体の挿入損失を低減したりすることが可能である。
【０００６】
図５に、ＬＮ基板と石英系のＰＬＣを組み合わせて変調器を構成する従来例の斜視図を示す。この変調器３００は、光信号の入力側の光ファイバ３０１と、２段のＹ分岐を備えた石英系のＰＬＣ３０２と、複数の位相シフタを備えたＬＮ基板３０３と、２段のカプラを備えた石英系のＰＬＣ３０４と、光信号の出力側の光ファイバ３０５とから構成されている。これらの基板は、それぞれの光導波路同士を調心した後、ＵＶ接着剤により接続することが可能である。
【０００７】
我々は既にＰＬＣと光ファイバブロックとの接続について、量産性、信頼性を確立しており、このような基板同士の接続技術は、上記接続と構造が似ているため同様に容易に可能であると予想する。ＰＬＣとＬＮ基板上の光波回路は、光導波路同士のモードフィールド径の値が近いものを用いることが可能であり、またＬＮ光導波路の形状が例えば横長の場合でもＰＬＣでスポットサイズ変換機能を構成することにより低い接続損失で接続可能なことが既に示されている。また、図に示すように、ＬＮ基板とＰＬＣの間では、端面を斜めにして導波路を接続することにより反射を防止する構造を取ることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１９５２３９号公報
【特許文献２】特開２００３−１２１８０６号公報
【特許文献３】特開平０７−０２７９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
パッケージに収納されたＬＮ変調器には、パッケージのパイプ部を通じてファイバが接続される。パッケージの材料をステンレス、例えばＳＵＳ３０３としてＬＮとの熱膨張係数の差を小さくしても、パッケージ材料と、ファイバ及びファイバブロックとの間に熱膨張係数の差が存在し、熱応力に起因する機械的信頼性低下という問題がある。
【００１０】
こうした問題に対処するために研究が行われている（特許文献３参照）。一方、ＰＬＣ−ＬＮ変調器においては、問題がさらに大きくなる。ここでＰＬＣ−ＬＮ変調器とは、ＬＮ導波路は伝搬損失や許容曲げ半径がＰＬＣ導波路と比べて大きく複雑な光回路の構成に不向きであることに鑑みて、上記の通りＬＮ導波路とＰＬＣ導波路を組み合わせた光変調器である。ＰＬＣ導波路は、シリコン基板上に形成した石英系ガラス導波路によって構成されたプレーナ光波回路であり、ＰＬＣ−ＬＮ変調器では、パッケージ材料と、ファイバ、ファイバブロック及びＰＬＣ導波路との間に熱膨張係数の差が存在する。パッケージ材料とＰＬＣ導波路との間の熱膨張係数の差はファイバブロックよりも大きく、その影響を無視できない。熱膨張係数の差による熱応力は、ファイバやＰＬＣ導波路とＬＮ導波路との接続部にかかり、機械的信頼性を低下させる。表１に熱膨張係数の値を示す。
【００１１】
【表１】
2011150089.tif 000003
【００１２】
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導波路およびＰＬＣ導波路を有する光変調器において、熱応力による機械的信頼性の低下を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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導波路およびＰＬＣ導波路を有する光変調器において、ＰＬＣ導波路及びＬＮ導波路で構成されたＰＬＣ−ＬＮチップと、前記ＰＬＣ−ＬＮチップを収納するパッケージと、前記パッケージが有するパイプ部を通るファイバであって、前記パイプ部に固定されたファイバと、前記ファイバを前記ＰＬＣ導波路に接続するファイバブロックとを備え、前記ＬＮ導波路は、前記パッケージに固定され、前記ファイバと前記ファイバブロックとの接点と、前記ファイバの前記パイプ部における固定点との間の長さをＬfiber、前記光変調器の最大使用温度範囲にわたる熱膨張による前記パッケージの変位量と、前記熱膨張による前記ＰＬＣ導波路、前記ファイバブロック及び前記ファイバの変位量との差をΔＬmaxとして、
ΔＬmax／Ｌfiber＜０．０１２５
の関係を満たすことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記ファイバにはメタルフェルールが接続され、前記メタルフェルールは前記パイプ部にハンダ付けにより固定され、前記メタルフェルールの前記パッケージの内部側の端面が、前記パイプ部の内部に位置することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記ファイバを前記パイプ部に固定する際に、前記ファイバが前記パッケージ内にΔＬmax／２以上押し込まれることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第４の態様は、第１又は第２の態様において、前記ファイバブロックは、前記パッケージの前記パイプ部の中心位置からずらして配置され、前記ファイバがＳ字形状に屈曲されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＬＮ導波路およびＰＬＣ導波路を有する光変調器において、ファイバ自由長を適切に設定することにより、熱応力による機械的信頼性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るＰＬＣ−ＬＮ変調器を示す図である。
【図２】ファイバ自由長の変位量とファイバにかかる応力との関係の計算結果を異なるファイバ自由長について示す図である。
【図３】図１のパイプ部１４０Ａに挿入されたメタルフェルール１５０について説明するための図である。
【図４】従来の光変調器を示す図である。
【図５】従来の光変調器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る光変調器を示す図である。光変調器１００は、ＬＮ導波路１１１及びＰＬＣ導波路１１２で構成されたＰＬＣ−ＬＮ変調器（以下「ＰＬＣ−ＬＮチップ」とも言う。）１１０と、ＰＬＣ−ＬＮチップ１１０を収納するパッケージ１４０と、パッケージ１４０のパイプ部１４０Ａを通るファイバ１３０と、ファイバ１３０をＰＬＣ１１２に接続するファイバブロック１２０とを備える。ＬＮ導波路１１１がパッケージ１４０に固定されている。図１では、説明のため、パッケージ１４０の一部のみを示していることに留意されたい。
【００２１】
パイプ部１４０Ａ内にはフェルール１５０が挿入されており、パッケージ１４０の内壁１４０Ｂに近い端面１５０Ａで、ファイバ１３０の一端が固定されている。ファイバ１３０の他端はファイバブロック１２０との接点で固定されている。この二点の間のファイバ１３０の長さ（以下「ファイバ自由長」と言う。）が機械的信頼性を高める上で重要である。
【００２２】
図２に、ファイバ自由長の変位量とファイバにかかる応力との関係の計算結果を異なるファイバ自由長について示す。×印は、ファイバ自由長を８ｍｍとして破断実験を行った実験結果である。上記計算および実験において、ＰＬＣ導波路１１２の長さを２２ｍｍ、ファイバブロック１２０の長さを６ｍｍとした。
【００２３】
ここでファイバ１３０の破断応力は、以下のように計算で求めることができる。まず直径１２５μｍの光ファイバの破断は６ｋｇｆ＝５８．８Ｎ程度であることが知られている。これを光ファイバの直径１２５μｍに対応した断面積で割ると、光ファイバの破断応力が４．８ＧＰａと求まる。したがって、安全率を５倍にとると、ファイバ１３０にかかる応力は０．９６ＧＰａ以下であることが求められる。光変調器１００の最大使用温度範囲はここでは−５０℃から１００℃とした。この温度範囲にわたる熱膨張によるファイバの変位量はほぼ８２μｍである。図２から分かるように、ファイバ自由長が６ｍｍの場合には、変位量が８２μｍのときに応力が０．９６ＧＰａを超えてしまうため、８ｍｍ以上のファイバ自由長が必要である。ファイバ自由長を８ｍｍ以上とすれば、熱膨張によりファイバ１３０にかかる応力を十分に抑え、機械的信頼性の低下を抑制することができる。
【００２４】
表２に、ファイバ自由長を８ｍｍとして破断実験を行った実験結果を示す。４００μｍまでの変位量に対して破断のないことを確認した。
【００２５】
【表２】
2011150089.tif 000004
【００２６】
図２では、特定の構造における見積もりであったが、この結果は以下のようにより一般的な式として表すことができる。各部品の熱膨張係数は表１に示した通りである。ここで、近似のためにＰＬＣ導波路１１２とファイバブロック１２０の熱膨張係数をα、ファイバ１３０の熱膨張係数を０、ＳＵＳパッケージ１４０の熱膨張係数をβとし、光線方向のＰＬＣ導波路１１２の長さをＬPLC、ファイバブロック１２０の長さをＬFB、ファイバ自由長をＬfiberとする。ここで、これらの合計長（ＬPLC＋ＬFB＋Ｌfiber）をＬ１とし、一方パッケージ１４０において、これらに対応する部分の長さをＬ２とする。ここでＬ＝（Ｌ２−Ｌ１）とし、温度差ΔＴでの熱膨張による、光線方向のＬの変位量の差をΔＬとすると、
ΔＬ＝｛（ＬPLC+ＬFB）×（β-α）＋Ｌfiber×β｝×ΔＴ  （１）
となる。ここで変位量の差ΔＬによる引っ張りまたは押し込み応力を最も大きくうけるのが、断面積の小さいファイバであり、このΔＬがほぼファイバ１３０の引っ張り又は押し込み量に対応する。ΔＬの変位量に対してファイバ１３０の破断を充分に回避できるようにするためには、一定値以上のファイバ自由長が必要となる。安全率５倍を確保できるファイバ自由長は実験結果より以下の式で表すことができる。ここで、ΔＬmaxは、式（１）でΔＴを最大使用温度範囲の上限から下限、即ち最も広い温度範囲としたときのΔＬの値である。ここで最大使用温度範囲は−５０℃から１００℃とした。
【００２７】
ΔＬmax／Ｌfiber＜０．０１２５                          （２）
図２において、ファイバ自由長Ｌfiberが６、８、１０、１２ｍｍのとき、安全率５倍を満たす変位量はそれぞれ約７５、１００、１２５、１５０μｍ以下となっている。よって、Ｌfiberの長さによらず、式（２）を安全率５倍を確保する条件とすることができる。ここで、Ｌfiberが８ｍｍの時は、上述のようにΔＬmaxは８２μｍとなり式（２）を満たしている。さらに実際に可能性のあるＬfiberの値が８ｍｍより増加させた時に、図２から、同じΔＬに対してファイバにかかる応力は小さくなる傾向になり、安全率５倍に対応する０．９６ＧＰａ以下となるため、式（２）を満たしている。このように式（２）は、Ｌfiberが８ｍｍ以上のファイバ長においても成り立っている。
【００２８】
なお使用温度変動範囲については、−５０℃から１００℃以外の温度範囲で、この変調器を使用することは現実ありえないため、その温度範囲での使用を想定していればよい。
【００２９】
ここで、図３を参照して、図１のパイプ部１４０Ａに挿入されたメタルフェルール１５０について説明する。図３は、光変調器１００の断面の斜視図である。パッケージ１４０のパイプ部１４０Ａ内には、従来行われているようにメタライズドファイバをハンダ付けするのではなく、ファイバ１３０に取り付けたメタルフェルール１５０をハンダ付けする。その際、メタルフェルール１５０の内部側の端面１５０Ａは、パッケージ１４０の内壁１４０Ｂよりも外側に位置する状態とする。換言すると、端面１５０Ａは図３（ｂ）に示すようにパイプ部の内部に位置するようにする。こうすることで、パッケージ１４０を小型に保ったまま、ファイバ自由長を式（２）を満たすように長くして熱応力による機械的信頼性の低下を抑制することが可能となる。メタルフェルールのもう一方の端面１５０Ｂは、パイプ部１４０Ａの内部にあっても外部にあってもよい。
【００３０】
なお、メタルフェルール１５０を用いなくとも式（２）を満たすようにファイバ自由長を定めれば熱応力の影響を低減できることに留意されたい。この場合、ファイバ自由長は、ファイバ１３０とファイバブロック１２０との接点と、ファイバ１３０のパイプ部１４０Ａにおける固定点との間の長さを言う。このファイバ自由長を対応させさえすれば、上記の議論がそのままメタルフェルールを用いない場合にも適用することができる。
【００３１】
また、図３（ａ）では、ファイバブロック１２０を、パイプ部１４０Ａの中心位置からずらして配置している。当該配置により、ファイバ１３０が予めＳ字形状にたわみ、熱膨張係数差による応力変動に対応することができる。ここでＳ字形状なしで押し込み等のみでたわみをつけることも可能であり問題があるわけではないが、たわみの方向により顕微鏡等で観察しにくい場合もある。一方、パイプ部を中心位置からずらして配置して、Ｓ字形状をつけた場合については、たわみの状態が水平方向になっているため、ファイバのたわみの状態を顕微鏡等で容易に確認することが可能であり、より安全に作業することが可能である。
【００３２】
また、メタルフェルール１５０をパイプ部１４０Ａにハンダ付けする際に、所定量押し込んでからハンダ付けすることにより、使用温度範囲でファイバ１３０にかかる熱応力を緩和することが可能である。図２の実験に用いた実施例のように、最大使用温度範囲が−５０℃から１００℃程度であり、パッケージ１４０の材料がＳＵＳ３０３、ＰＬＣ導波路１１２の長さが２２ｍｍ、ファイバブロック１２０の長さが６ｍｍの場合、熱応力によるファイバの変位量ΔＬmaxは８２μｍである。使用温度範囲として室温２５℃から１００℃を考えると、変位量は４１μｍ程度であり、ΔＬmax／２とみることができる。ΔＬmax／２以上メタルフェルール１５０を押し込んでハンダ付けして、ファイバ１３０にゆとりを持たせることで、熱膨張の差を吸収することができる。上記実施例の場合では、４１μｍ以上、たとえば５０μｍ程度押し込むのが好ましい。
【００３３】
なお、メタルフェルール１５０を使用する場合を例に説明したが、メタルフェルールを用いず、メタライズドファイバ等を用いる際には、ファイバ自体を押し込んでからハンダ付けを行う。
【００３４】
また、上述してきた構造は、ファイバの本数が異なる場合や、ＰＬＣ−ＬＮチップの片側のみにパイプ部がある場合、両側にある場合のいずれにも適用可能であることに留意されたい。
【符号の説明】
【００３５】
１００  光変調器
１１０  ＰＬＣ−ＬＮチップ
１１１  ＬＮ導波路
１１２  ＰＬＣ導波路
１２０  ファイバブロック
１３０  ファイバ
１４０  パッケージ
１４０Ａ  パイプ部
１４０Ｂ  内壁
１５０  メタルフェルール
１５０Ａ、１５０Ｂ  メタルフェルール１５０の端面
【図１】
2011150089.tif 000005
【図２】
2011150089.tif 000006
【図３】
2011150089.tif 000007
【図４】
2011150089.tif 000008
【図５】
2011150089.tif 000009