(57)【要約】【課題】  信号光の一部を放射させバイアスコントロール用のモニター光として使用する際に、再現性の良い直接的なバイアスコントロールが可能な光変調器を提供する。【解決手段】  電気光学効果を有する基板と、光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する中心電極及び接地電極とを具備し、前記光導波路が、少なくとも前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心電極と前記接地電極との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、前記出力光導波路は所定位置で変形していて、その変形した部位から前記出力光導波路を伝搬する前記信号光の一部が放射光として出射される。【選択図】図２
2005316041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する中心電極及び接地電極とを具備し、前記光導波路が、少なくとも前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心電極と前記接地電極との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記出力光導波路は所定位置で変形していて、その変形した部位から前記出力光導波路を伝搬する前記信号光の一部が放射光として出射されることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記出力光導波路は所定位置で曲がり部を有するように変形していて、該曲がり部から前記出力光導波路を伝搬する前記信号光の一部が放射光として出射されることを特徴とする請求項１記載の光変調器。
【請求項３】
前記出力光導波路の変形部位の近傍に、前記放射光が結合して伝搬する放射光伝搬用光導波路を備えたことを特徴とする請求項１乃至２記載の光変調器。
【請求項４】
前記光導波路がマッハツェンダ型光導波路であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記光導波路が方向性結合器型光導波路であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光変調器。
【請求項６】
前記放射光を受光して電流に変換するためのモニタ受光素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は小型で動作状態が安定な光変調器の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ3）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０Ｇｂｉｔ/ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ/ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。
【０００３】
図６に従来のＬＮ光変調器の斜視図を示す（例えば、特許文献１参照）。図中、１はｚ−ｃｕｔＬＮ基板、２はＴｉを熱拡散して形成したマッハツェンダ型の光導波路であり、２ａは入力光導波路、２ｂはＹ分岐型の分岐光導波路、２ｃ−１と２ｃ−２は相互作用光導波路、２ｄはＹ分岐型の合波光導波路、２ｅは出力光導波路である。３は電気信号源、４は進行波電極の中心電極、５ａと５ｂは接地電極、６ａと６ｂは放射光伝搬用としてＴｉを熱拡散して形成した２つの副光導波路、７は信号光用単一モード光ファイバ、８ａと８ｂは放射光受光用光ファイバ、９はモニタ受光器とＬＮ光変調器の動作点を調整するバイアスコントローラを含む放射光検出手段である。
【０００４】
図７はＬＮ光変調器の動作原理を説明する図である。図７（ａ）、（ｂ）は光導波路２の動作説明図、図７（ｃ）はＬＮ光変調器の側面図を示している。図６と図７を用いて、光変調器の動作について説明する。図６の入力光導波路２ａに入射した光は分岐光導波路２ｂにおいて２分割される。電気信号源３からの電気信号が進行波電極の中心電極４と、接地電極５ａ、５ｂに印加されない場合には、図７（ａ）に示すように光は相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２を同相で伝搬する。その後、合波光導波路２ｄにより合波されて基本モードとして出力光導波路２ｅを伝搬し、最後に、光は信号光用単一モード光ファイバ７に出射される。これをＯＮ状態と呼ぶ。
【０００５】
一方、電気信号源３からの電気信号が進行波電極の中心電極４と、接地電極５ａ、５ｂに印加される場合には、図７（ｂ）に示すように光は相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２を逆位相で伝搬する。その後、合波光導波路２ｄにより合波されて１次の高次モードが形成される。通常、この１次の高次モードがカットオフとなるように出力光導波路２ｅを設計する。従って、この１次の高次モードは出力光導波路２ｅを伝搬できないために、放射光１０ａ、１０ｂとして水平方向に０．７度、深さ方向に０．９度の角度をもって基板内の下方に放射され、広がりながら伝搬する。
【０００６】
図８の実線はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖｂはその際のバイアス電圧である。通常、この図のように、バイアス電圧Ｖｂは光出力の山と底の中点に設定する。一方、温度変動など何らかの原因により図８の破線のように電圧−光出力特性が変化した場合には、バイアス点をＶｂ´のように設定変更する必要がある。
【０００７】
この従来の実施例ではこの放射光を放射光受光用光ファイバ８ａ、８ｂで受光・伝搬した後、放射光検出手段９のモニタ受光器に入射させることにより電流に変換するとしている。この電流の大きさにより電圧−光出力特性の変化を検知し、最適バイアス点を見出している。
【０００８】
【特許文献１】特許第３１９９４０２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、このように構成したＬＮ光変調器でも以下のような問題点があった。放射光は、実際には図７（ｂ）、（ｃ）のように、水平方向に０．７度、深さ方向に０．９度の角度をもって基板内の下方に出射されるので、放射光受光用光ファイバ８ａと８ｂは信号光用単一モード光ファイバ７よりも低い位置に配置する必要がある。また、放射光１０ａ、１０ｂは基板内の下方に出射されるため、放射光１０ａ、１０ｂは放射光伝搬用としてＴｉを熱拡散して形成した２つの副光導波路６ａ、６ｂにはあまり結合しないので、副光導波路６ａ、６ｂは実際の応用においてはそれほど有用ではない。
【００１０】
さらに図９に示す出力光導波路２ｅ側から見た側面図から分かるように、放射光１０ａ、１０ｂは基板内の下方に出射されるが、実際には基板上方の界面で反射された光と干渉しながら複雑なパターン形状で広がる。その広がり方は温度や基板上方界面での反射状態などで変わるため、放射光受光用光ファイバ８ａ、８ｂへの結合効率が変化しやすく、バイアスコントロールが難しいという問題があった。
【００１１】
つまり、この従来の実施形態のように合波光導波路２ｄにおいて発生する一次の高次モードに起因する放射光を使用する構造では、モニタ電流を安定して検知できないので、充分安定なバイアスコントロールが難しく、安定なバイアス電圧のコントロールの方法を開発することが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器では、電気光学効果を有する基板と、光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する中心電極及び接地電極とを具備し、前記光導波路が、少なくとも前記光を入射するための入力光導波路と、前記中心電極と前記接地電極との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力光導波路からなる光変調器において、前記出力光導波路は所定位置で変形していて、その変形した部位から前記出力光導波路を伝搬する前記信号光の一部が放射光として出射される。
【００１３】
また、本発明の請求項２の光変調器では、請求項１記載の光変調器において、前記出力光導波路は所定位置で曲がり部を有するように変形していて、該曲がり部から前記出力光導波路を伝搬する前記信号光の一部が放射光として出射される。
【００１４】
また、本発明の請求項３の光変調器では、請求項１乃至２記載の光変調器において、前記出力光導波路の変形部位の近傍に、前記放射光が結合して伝搬する放射光伝搬用光導波路を備えている。
【００１５】
また、本発明の請求項４の光変調器では、請求項１乃至３記載の光変調器において、前記光導波路がマッハツェンダ型光導波路で構成されている。
【００１６】
また、本発明の請求項５の光変調器では、請求項１乃至３記載の光変調器において、前記光導波路が方向性結合器型光導波路で構成されている。
【００１７】
また、本発明の請求項６の光変調器では、請求項１乃至５記載の光変調器において、前記放射光を受光して電流に変換するためのモニタ受光素子をさらに備えている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、バイアスコントロール用のモニター光として、基板内に放射され、基板内を複雑な形に広がる放射光を利用する従来のＬＮ光変調器と異なり、信号光の一部を利用するので、再現性の良い直接的なバイアスコントロールが可能となる。さらに、信号光のごく一部を放射光に変換すれば良いのでその際の損失増加はほとんど無視することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図６に示した従来の実施形態と同じ番号は同じ機能部に対応しているため、ここでは同じ番号を持つ機能部の説明を省略する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１に本発明の第１の実施形態におけるＬＮ光変調器の斜視図を、図２に本発明の原理図を示す。なお、説明を簡単にするため、図２には光導波路の一部のみを示している。
【００２１】
ここでは図示していない進行波電極の中心電極４と接地電極５ａ、５ｂ間に電気信号が印加されない場合、相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２を伝搬してきた光は合波光導波路２ｄにおいて合波され、ＯＮ状態の光として出力光導波路２ｆに出射・伝搬する。ここで、重要なことは本発明のＬＮ光変調器においては、出力光導波路２ｆを変形させて光軸を曲げている点である。また、本実施形態では放射光伝搬用光導波路１１を設けている。
【００２２】
一般に、曲がり光導波路のように伝搬方向において形状が変化すると一部の光は放射される。本発明では光導波路のこの特性を利用する。信号光が伝搬する出力光導波路２ｆを曲げることにより放射光を生じさせ、この放射光を放射光伝搬用光導波路１１に結合・伝搬させることにより信号光の変化量を直接検知する。
【００２３】
この考えを具現化したものがこの第１の実施形態である。図１、図２に示すように出力光導波路２ｆの光軸は一旦真っ直ぐに進んだ後、曲率Ｒで変形されている。このように、出力光導波路２ｆの光軸を変形することにより放射光１２を生じさせ、この放射光を放射光伝搬用光導波路１１に結合・伝搬させる。放射光伝搬用光導波路１１を伝搬した光を最終的に不図示のモニタフォトダイオードを用いて電流に変換することにより、バイアス状態の変化による信号光の変化量を直接検知できる。図２中の１３は出力光導波路２ｆから放射された後、放射光伝搬用光導波路１１に結合・伝搬する信号光である。
【００２４】
図３には、出力光導波路２ｆが持つ変形部の曲率半径Ｒを変数とした場合の、放射光と入射光のパワー割合いを示す。図３から分かるように、変形部の曲率Ｒを設計することにより変形部位からの放射光のパワーを任意に設定することが可能となる。
【００２５】
通常、最適バイアス電圧を決めるためのモニタ電流はμＡオーダーで良く、ＬＮ光変調器への入射光パワーがｍＷのオーダーであることと、モニタ用フォトダイオードの効率は約１Ａ／Ｗであることを考えると、信号光の１／１０００程度を放射光に変換し、放射光伝搬用光導波路１１に結合・伝搬すれば良い。このための曲率Ｒは５ｍｍ〜３０ｍｍ程度で実現できる。前述のように信号光の１／１０００程度（−３０ｄＢ）を放射光に変換すれば良いので、本発明によれば信号光としての損失の増加はほとんど無視できるにもかかわらず、信号光を直接検知してバイアス電圧を最適することが可能になるという大きな利点がある。
【００２６】
［第２実施形態］
図４は本発明の第２の実施形態である。この実施形態は、第１の実施形態と放射光伝搬用光導波路１４の形状が異なっている。放射光伝搬用光導波路１４をＳ字状に曲げることにより、出力光導波路２ｆの出射端と放射光伝搬用光導波路１４の間の距離を離しているので、放射光伝搬用光導波路１４を伝搬してきた光１５をモニタするための実装を容易とすることが可能となる。
【００２７】
［第３実施形態］
図５は本発明の第３の実施形態である。この実施形態の場合には、出力光導波路２ｆを一旦曲率Ｒで曲げて変形させた後、逆Ω状にして元の光軸上に戻している。こうすることにより入力光導波路２ａと出力光導波路２ｆの光軸をほぼ一直線上に並べることが可能となり、光変調器をモジュール化した際、信号光用単一モード光ファイバがモジュールパッケージの長手方向側面の中央に固定されることになり、外観上対称性のある美しいモジュールを実現できる。なお、もちろん、入力光導波路２ａと出力光導波路２ｆの光軸がほぼ一直線上に並ばない程度に元に戻しても良いことはいうまでもない。
【００２８】
なお、放射光伝搬用光導波路１１、１４、１６が無い場合には、放射された信号光は従来の実施形態と同様に基板内の下方に向かって広がりつつ伝搬する。それを放射光受光用光ファイバで検知することで、効率は落ちるものの、本発明として動作させることは可能である。
【００２９】
これまでの実施形態においては、光導波路に曲がり構造を導入することにより放射光を生じさせた。放射光を生じさせるためには、出力光導波路の少なくとも一部の幅を不連続に、あるいは周期的に、あるいはテーパ状に細くする等することによっても信号光の一部を放射光に変換することができるので、これを検知することによりバイアス電圧をコントロールしてもよい。
【００３０】
以上の実施形態においては、光導波路として光の分岐・合波に各々１つのＹ分岐を用いるマッハツェンダ型光導波路の形態を例として取り上げて、説明したが、Ｙ分岐の代わりに多モード干渉型カプラ（ＭＭＩ）や３ｄＢカプラなど各種の分岐方法を用いてもよい。また、出力用光導波路が１本の場合について説明したが、２本以上あっても良いことは言うまでもないし、マッハツェンダ型光導波路の代わりに方向性結合器型光導波路を用いても良い。
【００３１】
ＬＮ基板としてｚ−ｃｕｔ基板について説明したが、ｘ−ｃｕｔ基板あるいはｙ−ｃｕｔ基板など各種基板を用いても良いことは言うまでもない。
【００３２】
なお、放射光伝搬光導波路１１、１４、１６はＬＮ基板の端面まで形成しておき、放射光受光用光ファイバを用いて受光しても良いが、ＬＮ基板の端面にモニタフォトダイオードを貼り付けても良いし、放射光をＬＮ基板の端面から出射し、空間伝搬させた後、モニタフォトダイオードにより光を電流に変換しても良い。また、通常、信号光を取り出す信号光用単一モード光ファイバ７はキャピラリとともにＬＮ光導波路２の端面に固定されているが、モニタフォトダイオードをそのキャピラリの後端に固定しても良い。
【００３３】
さらに、電極としてコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）型の進行波電極を想定したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）など、他の構造の進行波電極でも良いし、もちろん集中定数型電極でも良い。また、基板としてＬＮ基板を想定したがリチウムタンタレートなどその他の誘電体基板、さらには半導体基板でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態のＬＮ光変調器の斜視図
【図２】本発明の第１の実施形態の動作原理を説明する図
【図３】オフセット部の曲率半径Ｒ−放射光のパワー／入射光のパワーの相関図
【図４】本発明の第２の実施形態の動作原理を説明する図
【図５】本発明の第３の実施形態の動作原理を説明する図
【図６】従来の実施形態のＬＮ光変調器の斜視図
【図７】従来の実施形態の動作原理を説明する図
【図８】従来の実施形態の動作原理を説明する図
【図９】従来の実施形態における一次の高次モードが基板内下方に広がりつつ伝搬することを説明する図。
【符号の説明】
【００３５】
１：ｚ−ｃｕｔＬＮ基板、２：マッハツェンダ型の光導波路、２ａ：入力光導波路、２ｂ：Ｙ分岐型の分岐光導波路、２ｃ−１，２ｃ−２：相互作用光導波路、２ｄ：Ｙ分岐型の合波光導波路、２ｅ，２ｆ：出力光導波路、３：電気信号源、４：進行波電極の中心電極、５ａ，５ｂ：接地電極、６ａ，６ｂ：放射光伝搬用としてＴｉを熱拡散して形成した２つの副光導波路、７：信号光用単一モード光ファイバ、８ａ，８ｂ：放射光受光用光ファイバ、９：放射光検出手段、１０ａ，１０ｂ：放射光、１１，１４，１６：放射光伝搬用光導波路、１２：曲がり部で放射された信号光、１３，１５，１７：放射光伝搬用光導波路内を伝搬する信号光
【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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