(57)【要約】  【課題】光結合損失による変動ならびに機能デバイス固有の特性変化に対してフィードバック補償が可能なマッハツェンダー型光変調器及びその制御方法を提供すること。  【解決手段】  本発明に係る制御方法は、光源としてレーザ素子を用いたマッハツェンダー型光変調器の制御方法において、前記レーザ素子から出射された光を変調し、出力光として取り出す工程と；光変調された後の光のうち、前記出力光とは別にモニタ光を検出する工程と前記モニタ光に基づいて前記レーザ素子の光出力強度をフィードバック制御する工程とを含んでいる。  【選択図】  図１
2007093717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源としてレーザ素子を用いたマッハツェンダー型光変調器の制御方法において、
前記レーザ素子から出射された光を変調し、出力光として取り出す工程と；
光変調された後の光のうち、前記出力光とは別にモニタ光を検出する工程と；
前記モニタ光に基づいて前記レーザ素子の光出力強度をフィードバック制御する工程とを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項２】
前記マッハツェンダー型光変調器は、基板として半導体基板を使用することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
前記モニタ光を検出する際に、受光素子の受光面に対して当該モニタ光を垂直から０°〜２０°傾斜して入射させることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項４】
前記受光素子に入射する前記モニタ光を前記基板よりも低い屈折率を有する樹脂を介して屈折させることを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
【請求項５】
光変調された２本の導波光の位相差が０°の場合には、干渉光が前記出力光として使用され、逆に位相差が１８０°の場合には干渉光が前記モニタ光として使用されることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項６】
光変調された２本の導波光の位相差が１８０°の場合には、干渉光が前記出力光として使用され、逆に位相差が０°の場合には干渉光が前記モニタ光として使用されることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項７】
マッハツェンダー型の光変調器において、
入射光の位相変調を行うマッハツェンダー素子と；
前記マッハツェンダー素子に入力される光を出力するレーザ素子と；
前記レーザ素子から出力された光を分岐して前記マッハツェンダー素子に導波する入力側分岐部と；
前記マッハツェンダー素子から出力された光を合波する出力側分岐部と；
前記出力側分岐部に連結され、変調器の出力信号を導波する出力信号用光導波路と；
前記出力側分岐部に連結され、前記出力信号用光導波路とは別のモニタ用光導波路と；
前記モニタ用光導波路によって導波されたモニタ光を検出する受光素子と；
前記受光素子の出力信号に基づいて前記レーザ素子の光出力強度をフィードバック制御する制御部とを備えたことを特徴とするマッハツェンダー型光変調器。
【請求項８】
基板として半導体基板を使用することを特徴とする請求項７に記載のマッハツェンダー型光変調器。
【請求項９】
前記モニタ用光導波路の出力端を前記マッハツェンダー素子の側面に配置したことを特徴とする請求項７に記載のマッハツェンダー型光変調器。
【請求項１０】
前記モニタ用光導波路の出力端面における光軸方向が前記受光素子の受光面に対して垂直から０°〜２０°傾斜していることを特徴とする請求項７に記載のマッハツェンダー型光変調器。
【請求項１１】
前記出力側分岐部は、前記マッハツェンダー素子において光変調された２本の導波光の位相差が０°の場合には、当該干渉光を前記出力信号用光導波路に導き、位相差が１８０°の場合には当該干渉光を前記モニタ用光導波路に導く構成であることを特徴とする請求項７に記載のマッハツェンダー型光変調器。
【請求項１２】
前記出力側分岐部は、前記マッハツェンダー素子において光変調された２本の導波光の位相差が１８０°の場合には、当該干渉光を前記出力信号用光導波路に導き、位相差が０°の場合には当該干渉光を前記モニタ用光導波路に導く構成であることを特徴とする請求項７に記載のマッハツェンダー型光変調器。
【請求項１３】
前記モニタ用光導波路の出力端面と前記受光素子との光結合間に前記基板よりも低い屈折率を有する樹脂を塗布したことを特徴とする請求項８に記載のマッハツェンダー型光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に光通信に用いられる光変調器に関する。特に、半導体マッハツェンダー型変調器及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超高速・広帯域の光通信ネットワークシステムを実現するために、外部変調方式の光変調器（外部変調器）に対する期待が高まっている。特に、光信号の長距離伝送を可能とするために、広帯域での高速変調特性及び耐分散特性に優れているＬｉＮｂＯ3（ニオブ酸リチウム，リチウムナイオベート；ＬＮ）を用いたマッハツェンダー型（ＭＺ）の光変調器（ＭＺ型ＬＮ光変調器）の開発が進められている。
【０００３】
一般に、マッハツェンダー素子は、２本の平行した位相変調部光導波路と、これらの導波路に電圧を印加するための電極と、入力側（前段）及び出力側（後段）に２つのＹ分岐を備える。入力用光導波路に光が入射すると、前段のＹ分岐で分波された光は、それぞれ２本の平行した位相変調部光導波路を同じ距離だけ伝播し、後段のＹ分岐で再び合波され、出力信号用光導波路から出射される。
【０００４】
位相変調部光導波路に電圧を印加していない状態では、導波路の屈折率変化がないため、２本の位相変調部光導波路を伝播する光の位相差は０°、すなわち、合波された信号は分波される前と同じ大きさの信号となる。逆に、２つの導波光の位相差が１８０°になるように電圧を印加した場合には、合波された信号は互いに打ち消し合うこととなる。このように、２本の光導波路を伝播する光の位相差を電圧により変化させることで、出力信号を光の強弱により、オンまたはオフの状態の変調信号とすることができる。
【０００５】
ＭＺ型ＬＮ光変調器では、温度ドリフトやＤＣドリフト等によって動作点が変動してしまうため、これを補償するために、光変調部光導波路に対してバイアス電圧を印加することがある。
【０００６】
従来の半導体マッハツェンダー型変調器は、例えば、半導体マッハツェンダー素子、光源のレーザ素子、光結合用レンズ、光ファイバ、アイソレータ、温度制御用ペルチェ素子、自動光出力制御用モニタフォトダイオード素子（以下、モニタＰＤ）をハイブリッド集積した構造のものがある。上述したように、半導体マッハツェンダー素子は、印加電圧に比例して生じる導波路の屈折率変化を利用して、導波路に入射されたレーザ光を透過または遮断するシャッターの役割として機能する。受信側では光ファイバ線路により伝達された光の強弱を識別して、“High”または“Low”の電気信号に再生される。
【０００７】
半導体マッハツェンダー変調器は、半導体マッハツェンダー素子をはじめ、レーザ素子、アイソレータなど内蔵された各機能デバイス固有の温度特性により、周囲温度のみならず内部素子の発熱によって変調出力が著しく変化する。このため、これら温度変化による特性変動を補償する必要がある。そこで、従来からペルチェ素子による温度制御が行われている。すなわち、サーミスタ抵抗値の温度変化をフィードバックしてペルチェ素子の吸発熱を利用した温度制御を行う。これにより、半導体マッハツェンダー素子内部の光伝播損失やレーザ素子の光出力低下を抑制することが可能となる。
【０００８】
特開２００３−２３３０４７号公報には、マッハツェンダー型のＬＮ光変調器において、温度ドリフトやＤＣドリフト等による動作点の変動を補償するために、光導波路に対してバイアス電圧を印加する技術が開示されている。具体的には、モニタ用光導波路の出力光の強度に基づいて光導波路に印加するバイアス電圧を制御するフィードバック制御を行う。これにより、マッハツェンダー型ＬＮ光変調器の動作点電圧の変動を補償している。
【特許文献１】特開２００３−２３３０４７号公報
【０００９】
また、特開平６−４３４１１号公報には、上記の特開２００３−２３３０４７号公報に開示の発明と同様に、光変調器の動作点電圧の制御のために、光導波路に印加されるバイアス電圧を制御する技術が開示されている。
【特許文献２】特開平６−４３４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ペルチェ素子を利用した温度制御法やレーザ素子後方の光出力強度をモニタする自動光出力制御法は、多くの光結合モジュールで用いられている。しかし、これらの手法は、レーザ素子とマッハツェンダー素子間の光結合部で軸ずれが生じた場合の光損失に対して補償できない。また、マッハツェンダー素子、アイソレータなど集積された機能デバイス固有の温度特性、経時変化といった変動要因に対して完全に補償できない。このため、変調出力の変動を補償する手段として十分な効果が得られないという問題があった。特に、半導体マッハツェンダー変調器などのように、機能、密度共に高集積化されたハイブリッド型モジュールでは、複合的な変動要因に対して特性補償することは容易ではない。
【００１１】
ここで、光結合部で軸ずれが生じた場合の光損失について考える。図５には、ボールレンズを使用した場合のレーザ素子と光ファイバとの一般的な光結合損失特性（破線）と；レーザ素子と半導体マッハツェンダー素子とのコリメータレンズ結合による光結合損失特性（実線）を示す。図からわかるように、シングルモードファイバの軸ずれによる光結合損失（破線）に比べ、半導体マッハツェンダー素子の軸ずれによる光結合損失（実線）の劣化は非常に大きい。このことは、光のモードサイズが小さい半導体素子同士の結合であることに起因していると考えられる。このように、軸ずれに対して非常に敏感な光結合モジュール（半導体マッハツェンダー変調器）の場合には、変調器の周囲温度や外力などによって、構成部材の熱膨張係数差、あるいは応力歪みによるわずかな軸ずれが影響する。その結果、急激に損失が増加し、変調出力が変動しやすくなる。
【００１２】
一方、半導体マッハツェンダー素子など機能デバイスの温度特性変動については、如何にデバイス近傍の温度変化を正確にフィードバックして制御できるかによって抑制効果の良否が決まる。このため、熱伝導特性や放熱設計などの最適化、複雑な熱設計および解析などが不可欠であった。しかしながら、これらの手法はデバイスの特性変動を直接モニタするものではなく、周囲の温度変化をフィードバックすることにより間接的にデバイスの特性変動を制御しているため、十分な補償効果が得られず、変調出力に不安定さが生じるなどの問題があった。
【００１３】
本発明は、上記のような状況に鑑みて成されたものであり、光結合損失による変動ならびに機能デバイス固有の特性変化に対してフィードバック補償が可能なマッハツェンダー型光変調器を提供することを目的とする。
【００１４】
また、光結合損失による変動ならびに機能デバイス固有の特性変化に対してフィードバック補償が可能なマッハツェンダー型光変調器の制御方法を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の態様は、光源としてレーザ素子を用いたマッハツェンダー型光変調器の制御方法において、前記レーザ素子から出射された光を変調し、出力光として取り出す工程と；光変調された後の光のうち、前記出力光とは別にモニタ光を検出する工程と前記モニタ光に基づいて前記レーザ素子の光出力強度をフィードバック制御する工程とを含んでいる。
【００１６】
また、本発明の第２の態様に係るマッハツェンダー型の光変調器は、入射光の位相変調を行うマッハツェンダー素子と；前記マッハツェンダー素子に入力される光を出力するレーザ素子と；前記レーザ素子から出力された光を分岐して前記マッハツェンダー素子に導波する入力側分岐部と；前記マッハツェンダー素子から出力された光を合波する出力側分岐部と；前記出力側分岐部に連結され、変調器の出力信号を導波する出力信号用光導波路と；前記出力側分岐部に連結され、前記出力信号用光導波路とは別のモニタ用光導波路と；前記モニタ用光導波路によって導波されたモニタ光を検出する受光素子と；前記受光素子の出力信号に基づいて前記レーザ素子の光出力強度をフィードバック制御する制御部とを備えている。
【００１７】
以上のような本発明の第１及び第２の態様の何れにおいても、光結合損失による変動ならびに、機能デバイス固有の特性変化を直接的にフィードバック補償することにより、安定した変調出力信号を光ファイバ線路に送り出すことを可能としている。
【００１８】
好ましくは、前記マッハツェンダー型光変調器は、基板として半導体基板を使用する。また、前記モニタ光を検出する際に、受光素子の受光面に対して当該モニタ光を垂直から０°から２０°傾斜して入射させ又は／及び、前記受光素子に入射する前記モニタ光を高屈折させることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施例に係る半導体マッハツェンダー型光変調器１０の構成を示す平面図である。半導体マッハツェンダー型光変調器１０は、半導体マッハツェンダー素子１２、光源のレーザ素子１４、光結合用レンズ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ、出力用光ファイバ２２、アイソレータ１８、温度制御用ペルチェ素子２６、レーザ素子１４の自動光出力制御用モニタフォトダイオード素子２４（以下、「モニタＰＤ」と言う）をハイブリッド集積した構造である。
【００２０】
半導体レーザ（レーザ素子）１４としては、ＤＦＢレーザ、波長可変チューナブルレーザ等を使用することができる。半導体レーザ１４から出射されたレーザ光は、光結合用レンズ１６ａ、アイソレータ１８、光結合用レンズ１６ｂを介して半導体マッハツェンダー素子１２に入射する。半導体マッハツェンダー素子１２の出力光は、光結合用レンズ１６ｃを介して光ファイバ２２に入射する。半導体マッハツェンダー素子１２の出力光は、また、モニタＰＤ２４にも入射するようになっている。
【００２１】
半導体マッハツェンダー素子１２は、上述したように、印加電圧に比例して生じる導波路の屈折率変化を利用して、導波路に入射されたレーザ光を透過または遮断するシャッターの役割として機能する。受信側では光ファイバ線路により伝達された光の強弱を識別して、“High”または“Low”の電気信号に再生される。
【００２２】
図２は、実施例に係る半導体マッハツェンダー素子１２の構造を示す平面図である。半導体マッハツェンダー素子１２は、入力用光導波路３０と、２本の平行した位相変調部光導波路３４ａ，３４ｂと、位相変調部光導波路３４ａ，３４ｂに電圧を印加する電極４２ａ，４２ｂと、入力側のＹ分岐３２と、出力側のＹ分岐３６と、出力信号用光導波路３８と、導波光強度を検出するためのモニタ用光導波路４０とを備えている。
【００２３】
本実施例に係る半導体マッハツェンダー素子１２は、出力信号用光導波路３８と、モニタ用光導波路４０との２つの出力ポートを持つことを特徴とする。モニタ用光導波路４０の出力端には、モニタＰＤ２４がハイブリッド実装されており、レーザ素子１４の自動光出力制御を行うようになっている。
【００２４】
本実施例の半導体マッハツェンダー素子１２は、半導体基板上に形成することが好ましいが、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）等の誘電体材料を用いた構造に適用することもできる。半導体基板としては、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）やＩｎＰ（インジウムリン）等を用いることができる。通常、導波路としては石英ガラスが使用されるが、屈折率は１．７程度と小さい。このため、光の閉じ込めが弱く、導波路の曲率を小さくすると光が外に漏れ出る恐れがある。一方、半導体の屈折率は３．２程度と大きいため、光の閉じ込めが強く、導波路の曲率を比較的小さくできることから、小型化に有利となる。
【００２５】
入力用光導波路３０に入射した光は、Ｙ分岐３２で分波され位相変調部光導波路３４ａ，３４ｂをそれぞれ導波する。外部変調された電圧信号を電極４２ａ，４２ｂに印加することによって、各導波光は位相が変化し、Ｙ分岐３６で合波され互いに干渉する。
【００２６】
例えば、各導波光の位相差が０°の場合には、干渉光（出力光すべて）が出力信号用光導波路３８に導波され、逆に位相差が１８０°の場合には干渉光（出力光すべて）がモニタ用光導波路４０に導波される。あるいは、逆に、各導波光の位相差が１８０°の場合には、干渉光（出力光すべて）が出力信号用光導波路３８に導波され、逆に位相差が０°の場合には干渉光（出力光すべて）がモニタ用光導波路４０に導波される構造とすることもできる。
【００２７】
すなわち、本実施例においては、マッハツェンダー素子１２が、２つの出力ポート（３８，４０）からコンプリメンタリに光を出射するようになっている。これは、マッハツェンダー素子１２の電気変調信号のＯＮ/ＯＦＦに追従している。
【００２８】
このようなＹ分岐３６の設計は、ＭＭＩ（多モード干渉導波路：Multi-Mode Interference）技術によって実現できる。ＭＭＩに入射した光を回折させていくつかの光の波を作る。干渉して強め合う光を信号として取り出すが、ここでは２Ｘ２のＭＭＩを設計して干渉光の強め合う位置（ＭＭＩから再び導波路に入射する位置）を位相によって左右に切り分けている。すなわち、ＭＭＩの分岐導波路形状の最適化設計によって、分岐位置と分岐比を選択する。
【００２９】
本実施例においては、モニタ信号用として信号光を分岐することなく、もともとコンプリメンタリに不要な光がモニタポート（４０）に導波されるため、実質的に光損失がなくなる。また、モニタ光を監視することは信号光を監視することと等価であるため、変調信号の強度変化を正確に把握することが可能となる。
【００３０】
図３は、モニタＰＤ２４とモニタ用光導波路４０との光結合部の構成を示す。モニタ用光導波路４０は曲げ導波路により、光をガイドして半導体マッハツェンダー素子１２の側面からモニタ信号が取り出せるように形成し、モニタＰＤ２４はモニタ用光導波路４０の出力端にハイブリッド実装される。モニタ用光導波路４０の出力端は、半導体マッハツェンダー素子１２の側面垂直方向に対して角度θだけ傾ける。モニタ用光導波路４０の出力端からの光がモニタＰＤ２４の受光面に対して、垂直から角度θだけ傾けることにより、レーザ素子１４への反射戻り光を低減又は防止している。
【００３１】
角度θの設定に際しては、実際に光が全反射されてしまうブリュースター角近傍としては、例えば、０°〜２０°程度とする。
【００３２】
モニタ用光導波路４０の出力端を、半導体マッハツェンダー素子１２の側面に対して垂直（θ＝０°）とした場合、空気に比べて導波路の屈折率が高いため、大きな反射戻り光がモニタ用光導波路４０と再結合することとなる。この反射戻り光が再びレーザ素子１４と結合すると、レーザ発振が阻害され変調出力が不安定になる。特に、レーザ素子１４と半導体マッハツェンダー素子１２の間にアイソレータ１８がない場合などは顕著である。そこで、本実施例のように、モニタ用光導波路４０の出力端面光軸角度を、光が全反射する臨界角以内で設定し、反射防止対策とすることによって、レーザ素子１４への反射戻り光を低減し、安定した変調出力の実現が可能となる。
【００３３】
更に、屈折率の高い樹脂をモニタ用光導波路４０の出力端面とモニタＰＤ２４の光結合間に塗布した場合も、屈折率整合により同様の反射防止効果が得られる。ここで、高屈折率の樹脂とは、半導体基板よりも屈折率の低い樹脂であり、例えば、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂を使用することができる。樹脂は、ディスペンサーを使用し、マッハツェンダーモニター光出力端面と、ＰＤ受光部端面間に塗布する。この際、半導体導波路端面およびＰＤ受光部端面が空気（小さい屈折率の媒体）と接しないよう完全に覆うことに留意する。また、両端面間の樹脂形状が凹状とならず、樹脂内部に気泡が入らないように留意する。
【００３４】
また、モニタ用光導波路４０は、光の閉じ込め効果を大きくするため、周囲より高い屈折率となるよう構造設計されている。これにより、導波路の曲げによる光損失を軽減するとともに素子サイズを小さくすることが可能となる。
【００３５】
図４は、実施例に係る半導体マッハツェンダー型光変調器１０の制御構成を示すブロック図である。図示のように、モニタＰＤ２４の出力端子は、バイアス制御回路４６の入力端子に接続されている。バイアス制御回路４６の出力端子はＤＣバイアス回路４８の入力端子に接続されている。そして、ＤＣバイアス回路４８によってレーザ素子１４の光出力（強度）が制御される。本実施例においては、レーザ素子１４の出力強度を直接制御することは重要な構成の１つである。
【００３６】
Ｙ分岐３６で合波された干渉光は、位相差に応じて出力信号用光導波路３８または、モニタ用光導波路４０へ導波され、変調周期毎に交互に出力される。モニタ用光導波路４０の導波光をモニタＰＤ２４で受光し、得られたモニタＰＤ電流を、レーザ素子１４の自動光出力制御用のフィードバック信号とする。
【００３７】
本実施例においては、従来のレーザ素子後方光出力をモニタするものに対して、レーザ素子１４前方の光出力をモニタ信号としてフィードバック制御するため、光結合部の光軸ずれによる損失変動および各機能デバイスの特性変動は全てモニタ信号の変動として検出される。このため、これら変動を一括して補償することができる。また、モニタ信号と出力信号は変調周期毎に各ポートから交互に出射されるため、出力信号に対してモニタ信号を検出するための余分な光損失がないというメリットがある。また、モニタ信号が出力信号と同程度の大きな光強度をもつため、フィードバック信号に用いるモニタ電流値の設計範囲を広く取ることができる。
【００３８】
通常、フィードバック制御信号に大きなモニタ電流値を必要とする場合には、レーザ素子の光出力強度の前後比を変更するか、あるいはレーザ素子と光ファイバの結合効率を意図的に低下させて、レーザ素子駆動電流を大きくするなどの対応が必要であり、特性の問題または製造上の負担となっていた。本発明の更に他の効果は、モニタ信号を代用することにより、半導体マッハツェンダー素子を無給電の状態でレーザ素子と光結合調芯できることである。モニタＰＤの光電変換効率は、半導体マッハツェンダー素子に比べて非常に大きいため、モニタＰＤ電流を利用することで調芯工程が簡略化され、調芯時間の短縮が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明の実施例に係る半導体マッハツェンダー型光変調器の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、実施例に係る半導体マッハツェンダー素子の構造を示す平面図である。
【図３】図３は、実施例に係る半導体マッハツェンダー型光変調器のモニタＰＤ周辺の構造を示す説明図である。
【図４】図４は、実施例に係る半導体マッハツェンダー型光変調器の制御構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、光軸垂直方向軸ずれ量と光結合損失との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１０      半導体マッハツェンダー型光変調器
１２      半導体マッハツェンダー素子
１４      レーザ素子
２４      モニタ用受光素子
３２，３６      Ｙ分岐
３８      出力信号用光導波路
４０      モニタ用光導波路
４６      バイアス制御回路
４８      ＤＣバイアス回路
【図１】
2007093717.tif 000003
【図２】
2007093717.tif 000004
【図３】
2007093717.tif 000005
【図４】
2007093717.tif 000006
【図５】
2007093717.tif 000007