(57)【要約】【課題】光変調素子の各光変調部における光損失差を低減しつつ、小型化と低損失化も実現できる光変調器を提供する。【解決手段】入力された光波を複数に分岐する光導波路（１１）が形成された石英系の平面光波回路（１０）と、該平面光波回路で分岐された各光波をそれぞれ変調する複数の光変調部（２１）を有する光変調素子（２０）とを備えた光変調器において、該平面光波回路の光導波路の一部に、該光導波路を伝搬する光波を増幅する光増幅器（１２）が設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光波を複数に分岐する光導波路が形成された石英系の平面光波回路と、該平面光波回路で分岐された各光波をそれぞれ変調する複数の光変調部を有する光変調素子とを備えた光変調器において、
該平面光波回路の光導波路の一部に、該光導波路を伝搬する光波を増幅する光増幅器が設けられてい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、
該光増幅器は、該光導波路の一部にＥｒをドープして形成された光励起型導波路と、該光励起型導波路に対して励起光を照射する光励起素子とで構成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
請求項２に記載の光変調器において、
該光励起型導波路には更に、励起光に対する増感剤となるＳｉナノ結晶またはＹｂがドープされてい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、複数の光変調部を有する光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野において、入力された光波に送信データ等に応じた光変調を施して出力する光変調器が利用されている。光変調器には種々の構造のものがあり、その１つに、石英系材料の平面光波回路（ＰＬＣ；Planar Lightwave Circuit）と、ニオブ酸リチウム材料のＬＮ基板を有するＬＮ変調素子とを組み合わせた集積型の光変調器がある。以下の説明において、このような集積型の光変調器をＰＬＣ−ＬＮ変調器と称する。
【０００３】
ＰＬＣ−ＬＮ変調器は、例えば、複数の光変調部を有するＬＮ変調素子の入力側および出力側のそれぞれに、ＰＬＣを接合して構成される。入力側のＰＬＣには、光波を複数に分岐する光導波路が形成され、出力側のＰＬＣは、複数の光波を結合する光導波路が形成される。すなわち、ＰＬＣ−ＬＮ変調器は、光波の分岐を入力側のＰＬＣで行い、分岐された各光波の光変調をＬＮ変調素子で行い、光変調された各光波の結合を出力側のＰＬＣで行うように構成されている。
【０００４】
ＰＬＣ−ＬＮ変調器では、各光変調部における光損失差を低減することが課題である。より高速な光変調の実現が期待できるＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調器においては、各変調部における光損失差が信号に与える影響が大きいので、光損失差を低減することは特に重要である。
この対策の１つとして、特許文献１には、ＰＬＣに、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ；Mach-Zehnder Interferometer）回路で構成された光強度調整手段を設けることが提案されている。しかしながら、光強度調整手段としてＭＺＩ回路をＰＬＣに追加することにより、小型化と低損失化に不向きであるという欠点がある。
また、特許文献２には、小型化と低損失化の欠点を補うために、半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplifier）を有する半導体光導波回路をＰＬＣ上に実装することも提案されている。しかしながら、ＰＬＣとＳＯＡでは光導波路のモードフィールド径が大きく異なるので、上記の実装を行う場合には光導波路の光軸調芯が必要になるという欠点がある。
また、上記の特許文献１，２の技術を組み合わせることも考えられるが、上記の欠点を解消することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４３５７５号公報
【特許文献２】特開２０１２−９８４７２号公報
【特許文献３】特開２０１６−１０２８７２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Minoru Fujii et al., “1.54 um photoluminescence of Er3+ doped into SiO2 films containing Si nanocrystals: Evidence for energy transfer from Si nanocrystals to Er3+ ”, Applied Physics Letters, vol. 71, No. 9, 1997.
【非特許文献２】住友雅彦ほか, “Ｓｉ・Ｅｒを共添加したＳｉＯ2 膜の導波路型光増幅器への応用”, 信学技報, vol. 105, no. 592, LQE2005-146, pp. 73-76, 2006.
【非特許文献３】Hak-Seung Han et al., “Coefficient determination related to optical gain in erbium-doped silicon-rich silicon oxide waveguide amplifier”, Applied Physics Letters, vol. 81, No. 20, 2002.
【非特許文献４】Jinku Lee et al., “Optical Gain at 1.5 um in Nanocrystal Si-Sensitized Er-Doped Silica Waveguide Using Top-Pumping 470 nm LEDs”, Journal of Lightwave Technology, vol. 23, no. 1, 2005.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、光変調素子の各光変調部における光損失差を低減しつつ、小型化と低損失化も実現できる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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の光変調器は、以下のような技術的特徴を備えている。
（１）  入力された光波を複数に分岐する光導波路が形成された石英系の平面光波回路と、該平面光波回路で分岐された各光波をそれぞれ変調する複数の光変調部を有する光変調素子とを備えた光変調器において、該平面光波回路の光導波路の一部に、該光導波路を伝搬する光波を増幅する光増幅器が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
（２）  上記（１）に記載の光変調器において、該光増幅器は、該光導波路の一部にＥｒをドープして形成された光励起型導波路と、該光励起型導波路に対して励起光を照射する光励起素子とで構成されていることを特徴とする。
【００１０】
（３）  上記（２）に記載の光変調器において、該光励起型導波路には更に、励起光に対する増感剤となるＳｉナノ結晶またはＹｂがドープされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、平面光波回路の光導波路の一部に、該光導波路を伝搬する光波を増幅する光増幅器が設けられているので、光変調素子の各光変調部における光損失差を低減しつつ、小型化と低損失化も実現できる光変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る光変調器の概略的な構成例を示す平面図である。
【図２】図１の光変調器におけるＡ−Ａ’線の部分の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。なお、以下で示す例によって本発明が限定されるものではない。
本発明に係る光変調器は、図１に示すように、入力された光波を複数に分岐する光導波路（１１）が形成された石英系の平面光波回路（１０）と、該平面光波回路で分岐された各光波をそれぞれ変調する複数の光変調部（２２）を有する光変調素子（２０）とを備えた光変調器において、該平面光波回路の光導波路の一部に、該光導波路を伝搬する光波を増幅する光増幅器（１２，１３）が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
平面光波回路（ＰＬＣ）の光導波路に対する光増幅器としては、励起光（ポンプ光）による光励起作用を奏する光励起型導波路（１２）と、該光励起型導波路に対して励起光を照射する光励起素子（１３）とで構成されることが好ましい。なお、通信波長が１．５μｍ帯の光増幅では、光導波路にＥｒをドープして形成される光励起型導波路を利用したＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）を用いることが一般的である。
【００１５】
励起光の光源となる光励起素子としては、半導体レーザー（ＬＤ；Laser Diode）や発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）などを用いることができる。この場合には、図１に示すように、光励起型導波路（１２）の上方に光励起素子（１３）を配置して、光励起素子から光励起型導波路に対して励起光が照射されるようにすればよい。
【００１６】
上述したＥＤＦＡは増幅利得が０．０１ｄＢ／ｃｍ程度と低いので、光増幅器としてＥＤＦＡを使用する場合は、光変調器の小型化を図るには更なる工夫が必要となる。ここで、励起光に対する増感剤としてＳｉナノ結晶やＹｂなどを追加ドープすると、３ｄＢ／ｃｍ以上の高利得な光増幅が可能であることが報告されている（非特許文献１〜４）。したがって、Ｅｒに加えて、Ｓｉナノ結晶やＹｂなどの増感剤をドープすることで、高利得で且つ小型の光増幅器を実現できるようになる。
【００１７】
このように、平面光波回路の光導波路の任意箇所にＥｒおよび増感剤（Ｓｉナノ結晶やＹｂなど）をドープして形成できる光励起型導波路を利用することで、光変調素子の各光変調部における光損失差を低減しつつ、装置の小型化と低損失化も実現することができる。しかも、ＭＺＩ回路の追加やＳＯＡの実装を回避できるので、上述した欠点の心配もない。
【００１８】
なお、複数の光変調部を有するＬＮ変調器として、光波分岐回路と光波結合回路をＴｉ拡散光導波路で作製することで、ＰＬＣを用いないで構成したものもある（特許文献３）。この場合、ＬＮ基板の光導波路の一部に光増幅器を設けることも考えられるが、ＬＮへのＥｒドープには約１０００℃で１０００時間程度の処理が必要となり、長時間を要することに加え、励起光の照射によるフォトリフラクティブ効果も問題となる。これに対し、本提案の構成によれば、Ｅｒドープに長時間を要さず、また、フォトリフラクティブ効果も回避できるという利点がある。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る光変調器の概略的な構成例を示す平面図である。
本例の光変調器は、石英系材料の基板で形成された２つのＰＬＣ１０，３０と、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）材料の基板で形成されたＬＮ変調素子２０とを備えたＰＬＣ−ＬＮ変調器である。第１のＰＬＣ１０はＬＮ変調素子２０の入力側に接合され、第２のＰＬＣ３０はＬＮ変調素子２０の出力側に接合されている。すなわち、第１のＰＬＣ１０、ＬＮ変調素子２０、第２のＰＬＣ３０の順に直列に配置されている。
【００２０】
第１のＰＬＣ１０には、入力された光波を複数に分岐するように光導波路１１が形成されている。本例では、光導波路１１に３段階の分岐部を設けることで、１つの光波を段階的に分岐して８つの光波を出力する光波分岐回路を実現している。
ＬＮ変調素子２０には、第１のＰＬＣ１０で分岐された各光波をそれぞれ伝搬する複数の光導波路２１が並列に形成されている。また、光導波路２１の各々に対し、その光導波路を伝搬する光波に光変調を施す光変調部２２を設けてある。
第２のＰＬＣ３０には、ＬＮ変調素子２０で変調された各光波を結合するように光導波路３１が形成されている。本例では、光導波路３１に３段階の結合部を設けることで、８つの光波を段階的に結合して１つの光波を出力する光波結合回路を実現している。
これらの光学部品１０，２０，３０は直列に接続されており、モードフィールド径のミスマッチが小さいので、光接続損失を低減することができる。
【００２１】
第１のＰＬＣ１０の光導波路１１には、複数の位置に光増幅器を設けてある。光増幅器は、光導波路１１の該当区間にＥｒおよび増感剤（Ｓｉナノ結晶やＹｂなど）をドープして形成された光励起型導波路１２と、光励起型導波路１２に対して励起光を照射する光励起素子１３とで構成されている。図示の例では、各導波路部分に光増幅器（１２，１３）を設けてあるが、光増幅器を設ける位置や個数は任意である。例えば、第２のＰＬＣ３０の光導波路３１の各導波路部分（破線３２で示す部分）にも、同様の光増幅器を設けても構わない。
【００２２】
最上流（図１の最左端）および最下流（図１の最右端）に光増幅器（１２，１３）を設ける理由は、全光信号を増幅するためである。また、図１の構成を並列に並べた変調器を構成する場合に対応するためでもある。
なお、光増幅器は、第１のＰＬＣ１０（入力側ＰＬＣ）に設け、変調される前の光信号を増幅することが好ましい。第２のＰＬＣ３０（出力側ＰＬＣ）に設けると、変調された光信号を増幅することになり、信号品質に悪影響を与える可能性があるためである。更に、第１のＰＬＣ１０に光増幅器を設ける場合には、各光変調部の直前（第１のＰＬＣ１０の最右端）に配置することがより好ましい。これは、各光変調部における光損失差を個別に調整できるためである。
【００２３】
光増幅器は、光励起素子１３から出射される励起光を光励起型導波路１２に照射することで、光励起型導波路１２を伝搬する光波を増幅するように構成されている。これにより、第１のＰＬＣ１０で所要の強度に増幅された光波がＬＮ変調素子２０に入力され、各光変調部２２で変調されることになる。
【００２４】
したがって、第１のＰＬＣ１０で各光波の増幅量を調整することで、ＬＮ変調素子２０の各光変調部２２における光損失差の低減が可能となり、信号劣化を抑制することができる。また、このような光励起型導波路を利用した光増幅器を用いることで、装置の小型化と低損失化も実現することができる。しかも、光増幅器としての構造上、光増幅を行う箇所の選択性も優れているという利点もある。
【００２５】
図２には、図１の光変調器におけるＡ−Ａ’線の部分の断面図を示してある。
ＰＬＣ１０は、ベースとなるＳｉ基板４１の上に、膜厚１０μｍ程度のＳｉＯ2 膜４２を積層して構成されている。また、ＰＬＣ１０に形成された光導波路１１のうち、光励起型導波路１２として用いる部分には、膜厚２．０〜２．５μｍ程度のｎｃ−Ｓｉ（Ｓｉナノ結晶）及びＥｒをドープしたＳｉＯx 膜４３（Ｘ＜１）が更に積層されている。ＳｉＯx 膜４３は、例えば、モノシラン（ＳｉＨ4 ）と酸素（Ｏ2 ）を原料ガスとして、Ｅｒを同時スパッタする、エレクトロンサイクロトロン共鳴−化学気相成長法(ＥＣＲ−ＣＶＤ)で成膜する。成膜前の真空度は１×１０-6Ｔｏｒｒ、成膜時の真空度は１×１０-4Ｔｏｒｒ、マイクロ波の出力は４００Ｗ、成膜温度は４５０℃、原料ガス（ＳｉＨ4 とＯ2 ）のガス流量は２ｓｃｃｍ、スパッタガス（Ａｒ）のガス流量は３．５ｓｃｃｍとされる。ＳｉＯx 膜４３の組成は、ラザフォード後方散乱分光法において、Ｓｉ濃度：３４ａｔ．％（原子パーセント）、Ｅｒ濃度：０．０３〜０．０５ａｔ．％であり、このような組成の膜はイオン注入法で作製することも可能である。成膜後、９５０℃で５分間の高速熱アニーリング処理を施すことにより、粒径：約２．７ｎｍのｎｃ−Ｓｉ、ＳｉＯx 膜の屈折率：１．４６とされる。また、本例では、リッジ型の光導波路を用いており、ＳｉＯx 膜４３に幅Ｗ＝９〜１０μｍ、高さＨ＝０．３〜０．５μｍのリッジを緩衝フッ酸によるウェットエッチングで形成される。このような構造によれば、波長１．５μｍ帯で増幅利得３〜７ｄＢ／ｃｍを実現することができる。
【００２６】
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した内容に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更することが可能である。例えば、複数の光変調部を有する光変調素子の基板として、ＬＮ基板に代えて、タンタル酸リチウムを用いた基板や、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛を用いた基板など、他の材料の基板を使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によれば、光変調素子の各光変調部における光損失差を低減しつつ、小型化と低損失化も実現できる光変調器を提供することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０，３０  ＰＬＣ
２０  ＬＮ変調素子
１１，２１，３１  光導波路
１２  光励起型導波路
１３  光励起素子
２２  光変調部
４１  Ｓｉ基板
４２  ＳｉＯ2 膜
４３  ＳｉＯx 膜（Ｘ＜１）
【図１】
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【図２】
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