(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板上に光導波路と進行波電極とが形成され、光が入力される又は光を出力する光導波路端面が前記基板の端面に形成された光導波路体と、
前記光導波路端面と光結合した状態で前記基板の前記端面と光学接着剤を用いて接着固定される光ファイバと、を備えた光変調器において、
前記光導波路端面における光の導波方向と、前記基板の前記端面とが直交し、
前記光ファイバがキャピラリーに挿通され、当該光ファイバと当該キャピラリーとで前記基板の前記端面に前記接着固定されており、
前記光導波路端面の表面粗さが３０Å〜３００Åでなり、前記光導波路を導波する光の屈折率と前記光学接着剤の屈折率とが異なることにより前記光導波路端面で光入出力時に発生する戻り光を抑制するとともに、前記接着固定の接着強度を向上させ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】
本発明は小型で端面からの光の反射が小さく、かつ低損失な光導波路の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路を用いたデバイス（光導波路構造体）の一例としてリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）変調器を取り上げる。リチウムナイオベート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】
（第１の従来技術）
図５に、特許文献１に開示された第１の従来技術の光導波路構造体として、その上面図を示す。図中、１はｚ−カットＬＮ基板であり、１ａ、１ｂが基板の長手方向の端である基板端面である。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。また、２ｆは入力光導波路２ａの光入力用端面（あるいは入力用光導波路の端面）、２ｇは出力光導波路２ｅの光出力用端面（あるいは出力用光導波路の端面）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、６はガラスキャピラリー、７は信号光用単一モード光ファイバである。
【０００４】
なお、本図には示していないが、実際のＬＮ光変調器では入力光導波路２ａに光を入力するために入力光導波路２ａ側の入力用光導波路の端面２ｆや基板端面１ａにもガラスキャピラリーと単一モード光ファイバが固定される。
【０００５】
この第１の従来技術のＬＮ光変調器では、相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２を導波する光が電気信号源３から印加した電気信号と相互作用する。つまり、電気信号源３から印加した電気信号が進行波電極の中心導体４と設置電極５ａ、５ｂを介して、相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２を導波する光の位相が互いに逆符号となるように位相変調する。その結果、相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２の部位において光は互いに符号が逆の位相変調を受ける。
【０００６】
図６は図５における光出力側端面の一部Ｉの拡大図である。ここで、８は光学接着剤、９は基板端面１ｂに対する法線、１０は出力光導波路２ｅを伝搬する光、１１は出力光導波路２ｅを伝搬する光の内、単一モード光ファイバ７へ乗り移って伝搬する光（あるいは、透過光）、１２は出力光導波路２ｅを伝搬する光の内、出力用光導波路の端面２ｇにおいて発生する反射光である。
【０００７】
図６に示されているように、この第１の従来技術では出力光導波路２ｅが基板端面１ｂに対する法線９に対して角度θを有している。反射光１２が出力光導波路２ｅに結合しないように角度θを設定することにより、反射光１２はｚ−カットＬＮ基板１内に放射されので、良好な光の反射特性を実現することができる。
【０００８】
ところが、そのためにこの第１の従来技術では入力用光導波路の端面２ｆと出力用光導波路の端面２ｇ、つまり基板の端面１ａ、１ｂをｚ−カットＬＮ基板１の長手方向に対して垂直ではなく、斜めにしている。そしてこのことは基板の端面１ａ、１ｂを光導波路２の長手方向に対して一旦垂直に切断した後、斜めに研磨することを意味しており、ＬＮ光変調器のコストを著しく高価にしている。
【０００９】
なお、例えば出力用光導波路の端面２ｇ、つまり基板の端面１ｂが光導波路２の長手方向に対して垂直な場合において、出力用光導波路の端面２ｇからの反射光１２の影響を抑えるために、出力用光導波路２ｅを出力用光導波路の端面２ｇに対して斜めに配置すると、単一モード光ファイバ７を斜めに配置しなければならず、モジュールとしての組み立てが困難となり、やはりコストアップにつながってしまう。そしてこのことは入力用光導波路についても言うことができる。
【００１０】
（第２の従来技術）
第１の従来技術の問題であった製作のコストを低減するには、入力用光導波路の端面２ｆと出力用光導波路の端面２ｇ、つまり基板の端面１ａ、１ｂを光導波路２の長手方向に対して垂直に切断研磨することが望ましい。特許文献２に開示される図７に示す構成は、第１の従来技術として示した図６の基板端面１ｂをｚ−カットＬＮ基板１の長手方向に対して垂直としたのとともに、出力光導波路２ｅを基板端面１ｂについての法線９に平行にしたものである。このような構成の場合には出力光導波路２ｅを伝搬する光１０の光軸と反射光１２の光軸が完全に一致するので、出力用光導波路の端面２ｇにおける反射は光変調特性を劣化させるほど大きなものになる。
【００１１】
なお、第２の従来技術を例にとって説明すると、実際には図８に示した斜視図に示すように、図７に示した単一モード光ファイバ７及びガラスキャピラリー６と出力光導波路２ｅ及び基板端面１ｂとの接着強度を大きくするために、ヤトイ１５を用いる。また、第１の従来技術も図８と同様にヤトイを用いる構造である。このヤトイ１５は信頼性については重要ではあるが、ここで議論している光学特性には影響しないので以下の説明では省略する。
【００１２】
図７に出力用光導波路の端面の一部ＩＩとして示した領域の拡大図を図９に示す。実際には、出力用光導波路の端面２ｇの表面粗さ（ここでは、中心線平均粗さとする）はゼロではない（換言すると、出力用光導波路の端面２ｇは完全には平坦ではない）。このような結合構造の場合には、端面２ｇの表面粗さは一般的に５Å以下の鏡面で構成されている。そのため、図９に示すように、出力用光導波路の端面２ｇで発生した反射光１２と出力光導波路２ｅを伝搬する光１０となす角度は小さく、反射光１２は出力光導波路２ｅに結合・伝搬して不図示の光源の方に戻ってしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−０４７９５６号公報
【特許文献２】特開平８−３１３７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
以上のように、第１の従来技術では製作のコストが高く、第２の従来技術では例えば出力用光導波路の端面で発生した反射光の多くが出力光導波路に結合して逆行して戻ってしまい、光デバイスとしての特性を劣化させてしまうという問題があった。そのため、製作する上でコストが低く、かつ出力用光導波路の端面での反射光が出力光導波路に結合しにくい光導波路の構造の開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光変調器は、電気光学効果を有する基板上に光導波路と進行波電極とが形成され、光が入力される又は光を出力する光導波路端面が前記基板の端面に形成された光導波路体と、前記光導波路端面と光結合した状態で前記基板の前記端面と光学接着剤を用いて接着固定される光ファイバと、を備えた光変調器において、前記光導波路端面における光の導波方向と、前記基板の前記端面とが直交し、前記光ファイバがキャピラリーに挿通され、当該光ファイバと当該キャピラリーとで前記基板の前記端面に前記接着固定されており、前記光導波路端面の表面粗さが３０Å〜３００Åでなり、前記光導波路を導波する光の屈折率と前記光学接着剤の屈折率とが異なることにより前記光導波路端面で光入出力時に発生する戻り光を抑制するとともに、前記接着固定の接着強度を向上させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の光変調器によれば、低い製作コストで反射光のパワーを極めて小さく抑えつつ、挿入損失の増加も抑制できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の光導波路構造体の上面図
【図２】図１のＩＩＩ領域の部分拡大図
【図３】本発明の光導波路構造体の動作原理を説明する図
【図４】本発明の光導波路構造体の動作原理を説明する図
【図５】第１の従来技術の光導波路構造体を示す、ＬＮ光変調器の上面図
【図６】図５のＩ領域の部分拡大図であって、出力用光導波路、単一モード光ファイバ、ガラスキャピラリー、光学接着剤などの配置を説明する図
【図７】第２の従来技術の光導波路構造体を示す、ＬＮ光変調器の上面図
【図８】第２の従来技術の光導波路構造体を示す、ＬＮ光変調器の斜視図
【図９】図７のＩＩ領域の部分拡大図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図５から図９に示した第１の従来技術及び第２の従来技術と同じ番号は同じ部位に対応しているため、ここでは同じ番号を持つ部位の説明を省略する。
【００２７】
［実施形態］
図１に本発明の光導波路構造体の実施形態を示す。ここでは、出力用光導波路の端面２ｇにおいて光を出力する場合で議論するが、入力用光導波路の端面２ｆにおいて光が入力される場合についても同じ結論を得ることができるのはいうまでもない。
【００２８】
本発明では、出力用光導波路２ｅを伝搬する光１０の等価屈折率と光学接着剤８の屈折率のわずかな差により出力用光導波路の端面２ｇにおいて生じた反射光１３の光軸が出力光導波路２ｅに対して大きな角度をなすように構成する。これにより、反射光１３は出力用光導波路２ｅに結合しにくく、不図示の光源の動作を損なうことはない。これを実現するための構造について以下に説明する。
【００２９】
図１に出力用光導波路の端面２ｇのＩＩＩとして示した領域の拡大図を図２に示す。図９に示した第２の従来技術と異なり、本実施形態では出力用光導波路の端面２ｇの表面粗さを所定の値になるように意図的に荒く形成することにより、反射光１３の光軸と出力光導波路２ｅを伝搬する光１０の光軸とがなす角度を大きくしている。
【００３０】
なお、光学接着剤８はその屈折率が単一モード光ファイバ７の屈折率と等しいことが望ましいが、実際には少しそれらの値は互いに異なっている。従って、光学接着剤８の選択に当たっては、その屈折率と単一モード光ファイバ７との屈折率の差に起因してスネルの法則により決定される透過光１１の伝搬状態が単一モード光ファイバ７の導波条件を略満たすように選ぶことが望ましい。
【００３１】
まず、単一モード光ファイバ７の接着強度について議論する。図３は出力用光導波路の端面２ｇの表面粗さを変数とした場合における単一モード光ファイバ７の接着強度である。図３に示すように表面粗さが粗くなるほどアンカー効果により接着強度が増加する。実用的な強度を得るためには５Å以上の表面粗さが必要であり、最も好適には１０Å以上の表面粗さが望ましい。
【００３２】
図４は出力用光導波路の端面２ｇの表面粗さを変数とした場合における反射光１３のパワー反射率を左の縦軸に、出力用光導波路２ｅから単一モード光ファイバ７へ伝搬した光（つまり透過光）１１の挿入損失を右の縦軸に示す。
【００３３】
図からわかるように、反射光１３のパワー反射率は出力用光導波路の端面２ｇの表面粗さが粗くなると急速に改善される。実用上、５Å以上５００Å以下の表面粗さであれば、符号誤り率の観点からぎりぎり通信に使えるレベルである。１０Å以上３００Å以下の表面粗さの場合には、若干のエラーは生じるものの通信に使える。２０Å以上３００Å以下の表面粗さの場合には、エラーの発生確率は充分小さくなる。３０Å以上３００Å以下の表面粗さの場合にはエラーの発生確率は極めて小さく、大変良好な符号誤り率特性を実現できる。一方、透過光１１の挿入損失は比較的表面粗さに対して耐力があり、３００Åまでは透過光１１の挿入損失は大変小さい。
【００３４】
［各種実施形態］
上記の実施形態においては出力用光導波路の端面や基板端面が光導波路（あるいはｚ−カットＬＮ基板）の長手方向に対して垂直であるとして説明した。さらに、出力用光導波路の端面が所定の表面粗さを有し、かつ出力用光導波路の端面や基板端面が光導波路（あるいはｚ−カットＬＮ基板）の長手方向に対して角度を有する場合にも、本発明を用いることによりその角度を小さくしても反射抑圧の充分な効果を得ることができる。従って、こうした構成も本発明に属することは言うまでもない。そして、この明細書における出力用光導波路の端面についての全ての議論は入射用光導波路の端面についても成り立つ。
【００３５】
以上の議論は、光導波路構造体としてＬＮ光変調器のみでなく、石英光導波路（Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：  ＰＬＣ）の場合にも適用可能であることを確認している。また、単一モード光ファイバの代わりにその他の光導波路を適用しても良い。さらに、実施形態においては光が入射し、出射する端面が基板の両側に設けられた形態について説明したが、基板の片方のみに設けられても良いことはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３６】
１：ｚ−カットＬＮ基板
１ａ，１ｂ：基板端面
１ｃ，１ｄ：基板側面
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：出力光導波路
２ｆ：光入力用端面
２ｇ：光出力用端面
３：電気信号源
４：進行波電極の中心電極
５ａ，５ｂ：接地電極
６：ガラスキャピラリー
７：信号光用単一モード光ファイバ
８：光学接着剤
９：基板端面１ｂへの法線
１０：出力光導波路２ｅを伝搬する光
１１：信号光用単一モード光ファイバを伝搬する光
１２、１３：反射光
１５：ヤトイ
【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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