(57)【要約】【課題】  光変調器を構成する基板上に受光素子を配置した場合でも、受光素子の受光感度を高めると共に、受光素子の周波数帯域の低下を抑制した光変調器を提供すること。【解決手段】  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２７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、該基板上に配置されると共に、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伝播する信号光、又は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放射光のいずれかを受光するよう構成され、該受光素子内の受光部５０に入射する光波には、該受光素子内に入射した光波が直接入射する光波Ｌ１と、該受光素子内部で少なくとも１回以上の多重反射を経て入射する光波Ｌ２とが共に存在することを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項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、該基板上に配置されると共に、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伝播する信号光、又は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放射光のいずれかを受光するよう構成され、
該受光素子内の受光部に入射する光波には、該受光素子内に入射した光波が直接入射する光波と、該受光素子内部で少なくとも１回以上の多重反射を経て入射する光波とが共に存在す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、該受光素子が受光する光波は該信号光であり、該出力導波路と該受光素子との間には高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低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】
請求項１に記載の光変調器において、該受光素子が受光する光波は該放射光であり、該出力導波路と該受光素子との間には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４】
請求項３に記載の光変調器において、該受光素子が受光する光波は該合波部から放出される２つの放射光であり、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５】
請求項１に記載の光変調器において、該受光素子で受光する光波は、基板に形成された溝又は該基板に配置された反射部材により、該受光素子側に導かれることを特徴とする光変調器。
【請求項６】
請求項５に記載の光変調器において、該受光素子が受光する光波は該合波部から放出される２つの放射光であり、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７】
請求項１又は３乃至６に記載の光変調器において、該受光素子が受光する光波は該合波部から放出される２つの放射光であり、該受光素子の該基板に対する配置位置を調整することで、前記２つの放射光の受光量の比を調整することを特徴とする光変調器。
【請求項８】
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９】
請求項１乃至８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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、出力導波路を伝播する信号光や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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。２つの放射光のいずれか一方を受光しても良いし、図１のように、両方の放射光を一つの受光素子で受光するよう構成しても良い。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
受光素子５は、放射光を受光するだけでなく、出力導波路２４を伝搬する光波を受光するよう構成することも可能である。なお、特許文献１又は２に示されているように、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。
【００１０】
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ーと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。
【００１１】
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、光導波路を伝搬する光波の一部しか受光できないため、受光感度が低いという問題が生じる。しかも、受光部の面積を拡大して受光感度を向上させる場合には、受光部の面積の拡大に逆比例して、受光素子の周波数帯域が低下するという問題も発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４９７７７８９号公報
【特許文献２】特開２０１３−８０００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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た場合でも、受光素子の受光感度を高めると共に、受光素子の周波数帯域の低下を抑制した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】
【００１４】
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、該基板上に配置されると共に、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伝播する信号光、又は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放射光のいずれかを受光するよう構成され、該受光素子内の受光部に入射する光波には、該受光素子内に入射した光波が直接入射する光波と、該受光素子内部で少なくとも１回以上の多重反射を経て入射する光波とが共に存在することを特徴とする。
【００１５】
（２）  上記（１）に記載の光変調器において、該受光素子が受光する光波は該信号光であり、該出力導波路と該受光素子との間には高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低屈折率構造が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
（３）  上記（１）に記載の光変調器において、該受光素子が受光する光波は該放射光であり、該出力導波路と該受光素子との間には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高屈折率構造が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
（４）  上記（３）に記載の光変調器において、該受光素子が受光する光波は該合波部から放出される２つの放射光であり、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。
【００１８】
（５）  上記（１）に記載の光変調器において、該受光素子で受光する光波は、基板に形成された溝又は該基板に配置された反射部材により、該受光素子側に導かれることを特徴とする。
【００１９】
（６）  上記（５）に記載の光変調器において、該受光素子が受光する光波は該合波部から放出される２つの放射光であり、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。
【００２０】
（７）  上記（１）又は（３）乃至（６）に記載の光変調器において、該受光素子が受光する光波は該合波部から放出される２つの放射光であり、該受光素子の該基板に対する配置位置を調整することで、前記２つの放射光の受光量の比を調整することを特徴とする。
【００２１】
（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。
【００２２】
（９）  上記（１）乃至（８）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。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に係る発明により、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、該基板上に配置されると共に、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伝播する信号光、又は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放射光のいずれかを受光するよう構成され、該受光素子内の受光部に入射する光波には、該受光素子内に入射した光波が直接入射する光波と、該受光素子内部で少なくとも１回以上の多重反射を経て入射する光波とが共に存在するため、同一の受光部により多くの光波が入射するため、受光素子の受光感度を高めることが可能となる。しかも、受光素子の受光部の面積を拡大する必要もないため、受光素子の周波数帯域の低下を招くことも無い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】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。
【図２】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３】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。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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２７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、該基板上に配置されると共に、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伝播する信号光、又は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放射光のいずれかを受光するよう構成され、該受光素子内の受光部５０に入射する光波には、該受光素子内に入射した光波が直接入射する光波Ｌ１と、該受光素子内部で少なくとも１回以上の多重反射を経て入射する光波Ｌ２とが共に存在することを特徴とする。
【００２６】
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、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３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も可能となる。
【００２７】
基板に形成する光導波路２７は、例えば、ＬｉＮｂＯ３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。
【００２８】
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ＳｉＯ２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）内を伝搬する信号光や放射光を、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。
【００２９】
本発明の光変調器の特徴は、図４のように、基板内又は基板に形成された光導波路２７を伝搬する光波Ｌ０の一部をモニタする際には、フォトダイオード（ＰＤ）などで構成される受光素子５の受光感度を高めるため、受光素子内に入射した光波を受光部５０に直接入射させるだけでなく、受光素子内部で少なくとも１回以上の多重反射を経て受光部５０に入射させることである。
【００３０】
受光素子５を構成する基板５１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することが好ましい。例えば、図４に示すように埋込み電極を構成する金属膜の下面で反射させたり、図示されていないが、基板５１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。
【００３１】
受光素子５の基板５１の屈折率が３．１６（ＩｎＰの場合）と高屈折率であるため、モニタすべき信号光や放射光が受光素子の基板内に入って来る入射角度によっては、全反射を利用することも可能である。具体例として、光導波路２７をＬＮ基板１に形成した光導波路（ｎ＝２．１５）とし、受光素子の基板５１の材質をＩｎＰ（ｎ＝３．１６）とすれば、受光素子基板内への入射角度は、ＬＮ基板の法線を基準として、約４２度である。また、受光素子基板の外周面（周囲を空気と仮定すると）での全反射角は、約１８度である。このため、入射角が１８〜４２度の範囲で受光素子基板内に入射した光波は、当該基板内で全反射による多重反射を実現することができる。
【００３２】
図４では、多重反射する光波Ｌ２は、埋込み電極の下面での反射、基板５１の側壁面での反射、そして、基板５１の下面での反射の合計３回の反射で構成されている。本発明の光変調器は、この実施例に限定されず、例えば、基板５１の側壁面のみで１回反射して、受光部５０に光波が入射するよう構成することも可能である。
【００３３】
多重反射を１回含む場合、受光感度は約１．５倍になる。しかも、受光部へ直接入射する光波Ｌ１と、ＰＤ基板内で多重反射した光波Ｌ２との間の時間遅延は微小であり、２ｐｓ程度である。これは周波数に変換すると５００ＧＨｚ相当であり、受光部の周波数応答速度は高々４０ＧＨｚ程度であるので、受光素子のモニタ信号の波形が歪むことはない。
【００３４】
図４の光波Ｌ１及びＬ２が、受光部５０に共に入射するよう調整するには、例えば、基板１（又は光導波路２７）に対して受光素子５の配置位置を調整し、受光感度が最も高くなる位置に受光素子を固定するよう設定することができる。
【００３５】
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５１を直接接触させる方法だけでなく、図４のように、光導波路２７等と受光素子基板５１との間に高屈折率膜（４２，４３）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２７（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５１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。
【００３６】
また、特許文献２にも開示されているように、基板１（又は光導波路２７）に不図示の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。
【００３７】
図２及び３のように、受光素子が受光する光波が、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つの放射光であり、２つの光波を同時に受光する場合について説明する。
【００３８】
図３に示すように、低屈折率構造６０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。
【００３９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
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た場合でも、受光素子の受光感度を高めると共に、受光素子の周波数帯域の低下を抑制した光変調器を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１  基板
２，２７  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  受光部
４０〜４３  高屈折率構造
６０  低屈折率構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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