(57)【要約】【課題】  コア内を通過する光に対して直接弾性波による伸縮作用を及ぼすことで光変調精度を向上させることができると共に、光ファイバと一体化することで小型化が容易な光ファイバ型光変調器を提供することである。【解決手段】  コア１２とこのコア１２の外周を覆うクラッド１３からなる光ファイバ１４において、前記クラッド１３内に前記コア１２の外周を覆う圧電部材１６からなる光変調部１５を形成し、前記圧電部材１６から発生する弾性波によって前記コア１２内を通過する光を変調させるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアとこのコアの外周を覆うクラッドからなる光ファイバにおいて、
前記クラッド内に前記コアの外周を覆う圧電部材からなる光変調部を形成し、前記圧電部材から発生する弾性波によって前記コア内を通過する光を変調させることを特徴とする光ファイバ型光変調器。
【請求項２】
前記光変調部は、前記クラッドの外表面からコアの外表面に向けて凹設された凹設部内に形成される請求項１記載の光ファイバ型光変調器。
【請求項３】
前記光変調部は、前記凹設部内のコアの周囲に沿って被覆される第１の電極膜と、この第１の電極膜に沿って被覆形成される圧電部材と、この圧電部材の外表面を被覆する第２の電極膜とを備える請求項１又は２記載の光ファイバ型光変調器。
【請求項４】
前記圧電部材は、酸化亜鉛の薄膜からなる請求項１記載の光ファイバ型光変調器。
【請求項５】
前記凹設部は、前記クラッドの外表面からコアに向けてエッチング又は切削することによって形成される請求項２記載の光ファイバ型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの内部に直接光変調部を組み込んでなる光ファイバ型光変調器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信技術の進展に伴い、光ファイバやその他の光制御素子等の開発が急速に進められている。その中でも特に、光ファイバ内を伝送する光信号をより遠くに減衰することなく伝送させたり、接続する電子機器同士の周波数や感度等の条件にマッチングさせたりするための光変調器が重要な役割を担っている。
【０００３】
前記光変調器の中で最も一般的に使用されているものに、光ファイバケーブルの中間に導波路からなる基板を挿入したタイプのマッハ・ツェンダ型の光変調器がある。このマッハ・ツェンダ型の光変調器は、単結晶基板と、この単結晶基板上に途中で分岐した後、再度結合する形状の一対の光導波路とを設けて形成され、それぞれの光導波路を通る光の位相を相対的にずらせた後、再び結合させる構造となっている。このように、光の干渉作用を利用することで、光の強度等を変調させることができる。
【０００４】
ところが、前記マッハ・ツェンダ型の光変調器にあっては、光ファイバとの接続部での光結合損失を低減させるため、高精度の組立工程を必要としていた。また、基板上に光導波路を形成しているため、全体的なサイズが大きくなり、小型化が図れないといった問題を有していた。このような問題を改善するため、光導波路が形成された基板を用いることなく、光ファイバと一体化した構造の光ファイバ型の光変調器がいくつか提案あるいは実用化されている。
【０００５】
前記光ファイバ型の光変調器としては、特許文献１において、液晶材料を光変調手段として用いたものが示されている。この光ファイバ型光変調器１は、図９に示すように、コア２とこのコア２の外周を覆うクラッド３からなる光ファイバ４において、前記クラッド３の一部を凹設し、コア２の表面に達する凹部５を設け、この凹部５内に液晶材料６を充填して構成されている。そして、前記液晶材料６に電極７を配置し、この電極７を介して印加された電場によって、前記液晶材料６の液晶分子の配向方向を制御することで、コア２内を通過する光の強度が変調されるようになっている。
【０００６】
また、特許文献２には、光変調作用を圧電材料で行わせるために、圧電振動子の内部を貫通するように光ファイバを挿通させた構造の光ファイバ位相変調器が示されている。前記光ファイバは、シリコンやエポキシ系の接着剤を介して圧電振動子の内部に固定されている。
【特許文献１】特開平７−３０６３９３号公報
【特許文献２】特開平７−２８００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に示されている光ファイバ型光変調器にあっては、光変調手段となる液晶材料を直接光ファイバに結合した構造となっているが、液晶分子の反転を利用して屈折率変化を生じさせるものであるため、光の変調強度が弱く、十分な変調作用を得られない場合がある。
【０００８】
また、特許文献２に示されている光ファイバ位相変調器にあっては、光ファイバと圧電振動子とが接着剤を介して固定されているため、圧電振動子で生じた弾性波による伸縮が光ファイバに対して十分作用しないおそれがある。また、光ファイバは、コアとこのコアを覆うクラッドとで構成されているため、クラッドによって前記圧電振動子から発生する弾性波が吸収されてしまい、コアに到達する弾性波がさらに減衰してしまうといった問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、コア内を通過する光に対して直接弾性波による伸縮作用を及ぼすことで光変調精度を向上させることができると共に、光ファイバと一体化することで小型化が容易な光ファイバ型光変調器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の光ファイバ型光変調器は、コアとこのコアの外周を覆うクラッドからなる光ファイバにおいて、前記クラッド内に前記コアの外周を覆う圧電部材からなる光変調部を形成し、前記圧電部材から発生する弾性波によって前記コア内を通過する光を変調させることを特徴とする。
【００１１】
また、前記光変調部は、クラッドの外表面からコアの外表面に向けて凹設された凹設部内に形成され、この凹設部内のコアの周囲に沿って被覆される第１の電極膜と、この第１の電極膜に沿って被覆形成される圧電部材と、この圧電部材の外表面を被覆する第２の電極膜とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光ファイバ型光変調器によれば、クラッドの一部に圧電部材からなる光変調部を形成し、コアに対して直接前記圧電部材からの伸縮作用を及ぼすように構成されているので、コア内を通過する光の強度をロスなく効率よく変調させることができる。また、前記圧電部材がクラッドの一部を凹設した凹設部内に納まるように光ファイバと一体に形成されているため、小型化が容易であり製品コストが安価となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の光ファイバ型光変調器の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１乃至図３に示すように、本発明の光ファイバ型光変調器１１は、コア１２と、このコア１２の周囲を覆うクラッド１３とで構成された光ファイバ１４の一部に光変調部１５を組み込んで一体形成された構造となっている。
【００１５】
前記コア１２及びクラッド１３は、それぞれ屈折率の異なるガラス材で形成され、コア１２の屈折率がクラッド１３よりも高くなるように設定されている。なお、光ファイバ１４をシングルモードタイプで構成する場合は、コア１２の径が１０μｍ以下に設定される。
【００１６】
前記光変調部１５は、クラッド１３の外表面からコア１２に向けて所定の深さに凹設された凹設部１８内に設けられ、この凹設部１８内には、コア１２の外周に沿って第１の電極膜１７ａが被覆形成される。そして、この電極膜１７ａを覆うように圧電部材１６が所定の厚みに円筒状に形成され、最後にこの圧電部材１６の外表面を第２の電極膜１７ｂで被覆して形成される。
【００１７】
前記凹設部１８は、クラッド１３の外表面からコア１２に向かってウェット式あるいはドライ式のエッチングによって除去したり、機械的に切削したりすることによって形成される。前記凹設部１８の深さは、略クラッド１３の厚みと略同じに設定される。したがって、コア１２の外表面を浸食したり傷つけたりしない程度に露出するか、コア１２の外表面にクラッド１３が薄く残るような状態でよい。また、前記光ファイバ１４に形成される凹設部１８の長さは、光の変調強度に応じて適宜設定されるが、折曲げ等による機械的な強度を考慮して約５ｍｍ程度が適切である。なお、前記凹設部１８は、切削等によって形成される場合は、クラッド１３の外表面からコア１２に向けて略直角の断面形状にすることは可能であるが、図２に示したように、エッチング等によって形成される場合は、クラッド１３からコア１２に向けて浅い角度のテーパ形状や湾曲したような形状となることがある。このような凹設部１８の断面形状の僅かな違いは問題とならず、前述したようなコア１２を覆う圧電部材１６の幅や厚みが確保できれば光変調に影響を及ぼすことはない。
【００１８】
本実施形態では、前記圧電部材１６に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用い、このＺｎＯを薄膜状にしたものを前記コア１２の周囲に沿って所定の厚み（例えば、約２μｍ）に成形した。そして、このＺｎＯ薄膜に対して、２種類の分極方向を設定した。第１の分極方向は、図４の矢印線で示すような、コア１２の中心軸から放射状にクラッド１３の外表面に向かう半径方向である。また、第２の分極方向は、図５の矢印線で示すような、光ファイバ１４内を一方向に横切るＸ方向である。このような各分極方向に応じて、後述するような弾性波モードが生じ、この弾性波モードによる伸縮作用が直接コア１２の外表面にかかることによって、コア１２の径が伸縮し、光の変調作用が生じる。
【００１９】
前記ＺｎＯ薄膜は、その形成された厚みや幅、あるいは、印加する信号電圧の周波数に応じて特性が変化する。一例として、コア１２の径が９．５μｍφ、クラッドの径が２０μｍφにおける光ファイバ１４に対して、約２μｍの厚みのＺｎＯ薄膜を形成したモデルの伸縮状態をＦＥＭ解析したものを図６及び図７に示す。ここで、伸縮の方向や伸縮の強度は濃淡のパターンで示される。図６は周波数１．２３ＧＨｚの信号電圧を印加したときのものであり、コア１２を中心とした半径方向に同心円状の伸縮による弾性波が発生していることがわかる。この半径方向モードによる容量比は８．７で、モード次数は３となることが確認された。また、図７は周波数１．０６ＧＨｚの信号電圧を印加したときのものであり、破線で示すような３回対称となる弾性波モードが確認された。この弾性波モードを３回対称半径方向モードと呼ぶ。この３回対称半径方向モードによる容量比は４６で、モード次数は（３，４）となることが確認された。なお、本実施形態では圧電材料１６としてＺｎＯ薄膜を用いたが、このＺｎＯ薄膜に限定されず、ＰＺＴセラミックスや窒化アルミニウム等の薄膜材料、あるいは、水晶や圧電効果を有するタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの強誘電体を用いることもできる。
【００２０】
前記ＺｎＯ薄膜による圧電部材１６の表面及び裏面を被覆する第１及び第２の電極膜１７ａ，１７ｂは、外部から所定の周波数による信号電圧を印加するための電極端子である。第１の電極膜１７ａは、前記コア１２の外表面に沿って一様な厚み（例えば、０．０５〜０．１μｍ程度）に形成され、第２の電極膜１７ｂは、圧電部材１６の外表面に沿って所定の厚みを有して形成される。このように、前記圧電部材１６の表面及び裏面の全面を第１及び第２の電極膜１７ａ，１７ｂによって挟持することで、種々の周波数の信号電圧を印加した場合に、弾性波を効率よく励起させることができる。なお、前記各種の弾性波モードによって変調される光ファイバ１４の周波数帯は、前記クラッド１３の外表面に被覆される第２の電極膜１７ｂの厚みを変えることによって、適宜調整することができる。
【００２１】
次に、前記光ファイバ型光変調器１１をエッチングによって形成する場合の製造方法を図８に示す。最初に通常の製法によって、コア１２及びクラッド１３からなるガラス製の光ファイバ１４を形成する（工程ａ）。この実施形態では、コア１２の径が１０μｍ以下のシングルモードタイプの光ファイバ１４を用いた。次に、前記光ファイバ１４の長手方向の一部を溶液に浸漬させることによって、クラッド１３の全周方向からコア１２に向けて溶融した凹設部１８を形成する（工程ｂ）。ここで形成される凹設部１８は、コア１２の表面を浸食しないように溶液濃度や浸漬時間を設定したウェットエッチングによって行われる。次に、前記凹設部１８によって分断されたクラッド１３の一端から凹設部１８内の底部にかけて第１の電極膜１７ａを蒸着法あるいはスパッタ法によって形成する（工程ｃ）。そして、この第１の電極膜１７ａ上から凹設部１８内のコア１２の周囲に圧電部材１６（ＺｎＯ薄膜）を形成する（工程ｄ）。このＺｎＯ薄膜は、エピタキシャル成長法やスパッタ法等によって、コア１２の周囲に０．１〜２．０μｍ程度の厚みを有して成長形成される。次に、前記ＺｎＯ薄膜の外周から前記凹設部１８によって分断された他方のクラッド１３の端部にかけて第２の電極膜１７ｂを蒸着によって所定厚みに形成する（工程ｅ）。最後に、前記成長形成されたＺｎＯ薄膜に対して、所定の温度と電圧を印加する分極処理を施すことによって、前述したような半径方向モードや３回対称半径方向モードによる弾性波の励起可能な光ファイバ型光変調器１１が形成される。
【００２２】
上記実施形態では、圧電部材１６からなる光変調部１５がコア１２の外周全体を取り囲むように円筒形状に形成したが、コアを中心とした所定の回転半径内でクラッドを部分的に凹設し、この凹設した部分に前記ＺｎＯ等の圧電部材を形成してもよい。このように、コアの一部に前記圧電部材からの弾性波を及ぼすことで、光変調の方向や強度を調整することが可能となる。
【００２３】
本発明の光ファイバ型光変調器１１では、コア１２に対して直接弾性波による伸縮作用を及ぼす構造であることから、光変調を効果的に行うには、コアの径が１０μｍ以下の光ファイバに対して最適である。このため、上記実施形態では、シングルモードタイプの光ファイバを用いたが、このタイプに限定するものではなく、コアの径が小さいものであれば、シングルモード以外のマルチモードタイプに対しても適用することができる。なお、コアの径が太い光ファイバを用いる場合は、それに応じてＺｎＯ等の圧電部材を厚く形成することで、上記実施形態と同様な光変調作用を得ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の光ファイバ型光変調器の内部構造を示す透過斜視図である。
【図２】上記光ファイバ型光変調器の長手方向の断面図である。
【図３】上記光ファイバ型光変調器における光変調部のＡ−Ａ断面図である。
【図４】ＺｎＯ薄膜の半径方向に対する分極状態を示す説明図である。
【図５】ＺｎＯ薄膜のＸ方向に対する分極状態を示す説明図である。
【図６】ＺｎＯ薄膜の分極方向が半径方向の場合の伸縮状態をＦＥＭ解析した説明図である。
【図７】ＺｎＯ薄膜の分極方向がＸ方向の場合の伸縮状態をＦＥＭ解析した説明図である。
【図８】上記光ファイバ型光変調器の製造方法を示す工程図である。
【図９】従来の液晶材料を応用した光ファイバ型光変調器の内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１  光ファイバ型光変調器
１２  コア
１３  クラッド
１４  光ファイバ
１５  光変調部
１６  圧電部材
１７ａ，１７ｂ  電極膜
１８  凹設部
【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８】
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【図９】
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【図６】
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【図７】
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