(57)【要約】【課題】  光結合損失を抑制することができる光変調器モジュールを提供する。【解決手段】  光変調器モジュールは、複数の出力導波路を有する半導体変調器と、前記複数の出力導波路が並ぶ方向に長手方向を有し、前記複数の出力導波路から出力される光が透過する第１シリンドリカルレンズと、前記第１シリンドリカルレンズの長手方向と交差する長手方向を有し、前記複数の出力導波路から出力される光がそれぞれ透過する複数の第２シリンドリカルレンズと、を備える。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の出力導波路を有する半導体変調器と、
前記複数の出力導波路が並ぶ方向に長手方向を有し、前記複数の出力導波路から出力される光が透過する第１シリンドリカルレンズと、
前記第１シリンドリカルレンズの長手方向と交差する長手方向を有し、前記複数の出力導波路から出力される光がそれぞれ透過する複数の第２シリンドリカルレンズと、を備えることを特徴とする光変調器モジュール。
【請求項２】
前記第１シリンドリカルレンズは、前記複数の第２シリンドリカルレンズよりも前記出力導波路側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光変調器モジュール。
【請求項３】
前記複数の出力導波路は、厚み方向のモードフィールド径が幅方向のモードフィールド径以下であることを特徴とする請求項１または２記載の光変調器モジュール。
【請求項４】
前記複数の出力導波路は、サブμｍ〜数μｍオーダのモードフィールド径を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
【請求項５】
前記第１シリンドリカルレンズおよび前記複数の第２シリンドリカルレンズは、ガラスの屈折率よりも高い屈折率を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
【請求項６】
前記第１シリンドリカルレンズおよび前記複数の第２シリンドリカルレンズは、３以上の屈折率を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
【請求項７】
前記第１シリンドリカルレンズおよび前記複数の第２シリンドリカルレンズは、シリコンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
【請求項８】
前記複数の出力導波路は、厚さおよび幅の少なくともいずれか一方が出射端に向かって大きくなるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
【請求項９】
前記半導体変調器は、前記出力導波路を４本備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光変調器モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件は、光変調器モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速光通信システムにおいては、ＬｉＮｂＯ３外部変調器(以下、ＬＮ変調器)が広く用いられている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、ＬＮ変調器は、その材料特性から小型化が難しい。そこで、小型の外部変調器として半導体変調器の開発が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５６８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、半導体変調器から出力される光は楕円形状を有するため、光ファイバと光結合させる場合に、モードミスマッチに起因して光結合損失が発生するおそれがある。
【０００５】
１つの側面では、本件は、光結合損失を抑制することができる光変調器モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様では、光変調器モジュールは、複数の出力導波路を有する半導体変調器と、前記複数の出力導波路が並ぶ方向に長手方向を有し、前記複数の出力導波路から出力される光が透過する第１シリンドリカルレンズと、前記第１シリンドリカルレンズの長手方向と交差する長手方向を有し、前記複数の出力導波路から出力される光がそれぞれ透過する複数の第２シリンドリカルレンズと、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
光結合損失を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は実施例１に係る光変調器モジュールの概略図であり、（ｂ）は半導体変調器の拡大図である。
【図２】出射光を例示する図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は半導体変調器と出力ファイバとの間のビーム整形系について例示する図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は実施例１に係るビーム整形系について例示する図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）はシリンドリカルレンズの配置例を表す図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は実施例２に係るビーム整形系を例示する図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は変形例に係る出力導波路を例示する図である。
【図８】ビーム整形系の上面図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は球面レンズアレイを用いた場合を説明するための図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）はシリンドリカルレンズを用いた場合を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１（ａ）は、実施例１に係る光変調器モジュール１００の概略図である。図１（ａ）で例示するように、光変調器モジュール１００は、入力結合光学系１０、半導体変調器２０、偏波回転・結合光学系３０、出力結合光学系４０、モニタ光受光素子５０ａ，５０ｂなどがパッケージ内６０に配置された構成を有する。また、光変調器モジュール１００は、入力ファイバ２００と出力ファイバ３００とに接続されている。
【００１１】
図１（ｂ）は、半導体変調器２０の拡大図である。図１（ｂ）で例示するように、半導体変調器２０は、１本の入力導波路２１、入力導波路２１から入射した光を分岐する３ｄＢカプラ２２、各分岐光を変調するＩＱ変調器部２３ａ，２３ｂ、ＩＱ変調器部２３ａ，２３ｂから信号光と該信号光に対応するモニタ光を出力する出力導波路２４ａ〜２４ｄなどを備える。例えば、出力導波路２４ｂ，２４ｃは信号光が伝搬する導波路であり、出力導波路２４ａ，２４ｄはモニタ光が伝搬する導波路である。
【００１２】
入力結合光学系１０は、入力ファイバ２００からの光を入力導波路２１に入射させる。偏波回転・結合光学系３０は、出力導波路２４ｂ，２４ｃから出力される２つの同じ直線偏波の信号光のうち、一方を偏波回転した後、偏波多重結合させる。出力結合光学系４０は、偏波多重された信号光を出力ファイバ３００に結合させる。モニタ光受光素子５０ａ，５０ｂは、出力導波路２４ａ，２４ｄから出力される２つのモニタ光をそれぞれ受光する。
【００１３】
出力導波路２４ａ〜２４ｄは、ＩｎＰなどの半導体によって光が閉じ込められている。この構造では、光の閉じ込めが強いため、導波光のモードフィールドは、サブミクロン〜数ミクロン程度と非常に小さくなる。波長λ、導波光のモードフィールドの１／ｅ２径の半径をωとすると、半導体導波路から空気中に放射された光の広がり角θは、下記式（１）で表される。したがって、半導体導波路からの出力光は、大きな広がり角を有する。たとえば、ω＝１μｍ、λ＝１５５０ｎｍの場合、θ＝２８度となる。
θ  ＝  λ／（πω）  式（１）
【００１４】
一方、外部変調器として使用されているＬＮ変調器は、ＬＮ導波路のモードフィールドがファイバのモードフィールドに近い。一般的なファイバのモードフィールド径は１０μｍであり、広がり角は５．７度である。また、ＬＮ導波路は、モードフィールドが比較的円形に近いことから、円形のモードフィールドを有する光ファイバに結合させやすい。
【００１５】
これに対して、半導体導波路から出力される光は一般的に導波路の幅方向（ｘ方向）と厚さ方向（ｙ方向）のモードフィールドが異なる。例えば、出力導波路２４ａ〜２４ｄにおいて、厚さ方向（ｙ方向）のモードフィールド径は、幅方向（ｘ方向）のモードフィールド径以下となっている。この場合、図２で例示するように、出射光のｙ方向の広がり角はｘ方向に比べて大きくなる。この場合、出射光は、ｙ方向が長軸の楕円形状になる。したがって、円形のモードフィールドを有する光ファイバと結合する場合、モードミスマッチに起因して光結合損失が発生する。以上のことから、出力導波路２４ａ〜２４ｄからの出射光を円形に整形することが好ましい。
【００１６】
たとえば、出力導波路２４ａ〜２４ｄの出射端面の幅を狭く、リッジにするなどしてｘ方向の光の閉じ込めを強くし、ｘ方向のモードフィールドを小さくして円形にすることが考えられる。しかしながら、この場合は、わずかな製造誤差でモードフィールドが大きく変わるため、モードフィールドの制御が難しい。そこで、図３（ａ）および図３（ｂ）で例示するように、アナモルフィックプリズムを組み合わせたスポットサイズ変換系を組み入れたビーム整形光学系が考えられる。
【００１７】
図３（ａ）および図３（ｂ）は、半導体変調器２０と出力ファイバ３００との間のビーム整形系について例示する図である。図３（ａ）はビーム整形系の上面図であり、図３（ｂ）はビーム整形系の側面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）で例示するように、出力導波路２４ｂ，２４ｃと偏波回転・結合光学系３０との間に球面レンズ６１ａ，６１ｂ、アナモルフィックプリズム６２、およびアナモルフィックプリズム６３が配置されている。さらに、偏波回転・結合光学系３０と出力ファイバ３００との間に集光レンズ６４が配置されている。しかしながら、この構成では、部品点数が多くなる。また、各光学機器の光軸調整の煩雑さが増える。そのため、コストアップになる。
【００１８】
また、円形の開口（アパーチャ）を用いて、楕円形状の光の端の一部を開口で蹴ることにより、光を円形に整形する方法がある。しかしながら、半導体導波路の光の縦横比が２〜３倍程度になるため、光を蹴らせることはパワーを削ることになり、最終的に光ファイバへの結合損失が大きくなる。また、非球面形状（例えば楕円形状）をしたマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を用いれば、光の蹴られを抑えつつビーム整形が可能である。しかしながら、シリコンマイクロレンズアレイなど、フォトリソプロセスで作製するマイクロレンズアレイでは複雑な形状の製造が困難である。
【００１９】
また、半導体変調器２０のように複数の半導体導波路がアレイ状に並ぶ場合、ＭＬＡの各レンズ中心位置の製造誤差があると、半導体導波路とＭＬＡの各レンズ間で光軸ずれが生じる。その結果、光ファイバの位置において光軸ずれを招き、光結合効率やＰＤＬ（偏波依存性ロス）に大きな影響を与える。半導体導波路を光ファイバに結合するような光学系の場合、半導体導波路のモードフィールド径ω１と光ファイバのモードフィールド径ω２が、倍率ｍ＝ω２／ω１であれば、半導体導波路側の光軸ずれがファイバ側でｍ倍になる。たとえば、ω１＝２μｍ、ω２＝５μｍの場合、半導体導波路側の光軸ずれが１μｍ生じると、光ファイバ側における光軸ずれは２．５μｍとなる（このとき結合効率は約２．２ｄＢ悪くなる）。なお、光学素子を追加し角度ばらつきを補正することは可能である。しかしながら、この場合、部品点数が多くなり、光軸調整の煩雑さが増えるためコストアップになる。
【００２０】
そこで、本実施例においては、部品点数を増大させずにコリメート光を形成し高効率で光ファイバに結合させるために、高屈折材料での製造が比較的容易な形状である、長手方向が互いに交差する２枚のシリンドリカルレンズアレイを用いる。
【００２１】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、本実施例に係るビーム整形系について例示する図である。図４（ａ）はビーム整形系の上面図であり、図４（ｂ）はビーム整形系の側面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）で例示するように、出力導波路２４ｂ，２４ｃと偏波回転・結合光学系３０との間にＭＬＡ７０およびＭＬＡ８０が、光伝搬方向において前後に配置されている。
【００２２】
ＭＬＡ７０には、１枚のシリンドリカルレンズ７１（第１シリンドリカルレンズ）が設けられている。シリンドリカルレンズ７１は、円柱の側面の一部を切り出した形状を有している。シリンドリカルレンズ７１は、ＭＬＡ７０の出射面に、凸側が偏波回転・結合光学系３０と対向するように配置されている。シリンドリカルレンズ７１の長手方向は、当該円柱の中心軸に一致する。長手方向からシリンドリカルレンズ７１を見た場合に、いずれの箇所においても断面は同一である。なお、シリンドリカルレンズ７１は、かまぼこ形状を有していてもよく、曲面の曲率半径が一定でなくてもよい。
【００２３】
シリンドリカルレンズ７１は、ＭＬＡ７０においては、出力導波路２４ｂ，２４ｃが並ぶ方向と長手方向とが平行になるように設けられている。また、シリンドリカルレンズ７１は、出力導波路２４ｂ，２４ｃからの出力光が透過するような長さを有する。図４（ｂ）で例示するように、シリンドリカルレンズ７１の曲率が出力導波路２４ｂ，２４ｃの厚さ方向（ｙ方向）に設けられることになるため、出射光のｙ方向の広がりが整形される。
【００２４】
ＭＬＡ８０の出射面には、２枚のシリンドリカルレンズ８１（第２シリンドリカルレンズ）が、凸側が偏波回転・結合光学系３０と対向するように設けられている。また、２枚のシリンドリカルレンズ８１は、出力導波路２４ｂ，２４ｃから出力される光がそれぞれ透過するように配置されている。各シリンドリカルレンズ８１の長手方向は、シリンドリカルレンズ７１の長手方向と交差する。例えば、各シリンドリカルレンズ８１の長手方向は、シリンドリカルレンズ７１の長手方向と直交する。図４（ａ）で例示するように、シリンドリカルレンズ８１の曲率が出力導波路２４ｂ，２４ｃの幅方向（ｘ方向）に設けられることになるため、出射光のｘ方向の広がりが整形される。
【００２５】
この構成により、シリンドリカルレンズ７１においてｙ方向の広がりを整形し、シリンドリカルレンズ８１においてｘ方向の広がりを整形することで、ビーム蹴られによる過剰損失と回折の影響を最小限に留めつつ、コリメート光とすることが可能となる。すなわち、光結合損失を抑制することができる。
【００２６】
シリンドリカルレンズ７１，８１は、ガラスの屈折率（１．４〜２．１）よりも高い屈折率を有することが好ましい。それにより、光がシリンドリカルレンズ７１，８１へ入射する際に感じる屈折率変化を大きくすることができ、ビームをコリメートしやすくなる。例えば、シリンドリカルレンズ７１，８１は、３以上の屈折率を有することが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズ７１，８１の材料は、シリコンであることが好ましい。
【００２７】
なお、コリメート光の形状は、楕円または円となる。コリメート光の形状が楕円の場合には、アナモルフィックな形状を有する集光レンズ６４（シリンドリカルレンズ、非球面レンズなど）を用いれば、コリメート光の縦横比を補正することができ、光ファイバの入射端面にて円形のビームにすることが可能となる。コリメート光の形状が円の場合には、光軸方向について回転対称な集光レンズ６４を用いれば、光ファイバの入射端面に円形のビームを形成することが可能となる。
【００２８】
図５（ａ）〜図５（ｆ）は、シリンドリカルレンズ７１およびシリンドリカルレンズ８１の配置例を表す図である。図５（ａ）、図５（ｃ）および図５（ｅ）は、上面図である。図５（ｂ）、図５（ｄ）および図５（ｆ）は、側面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）で例示するように、シリンドリカルレンズ７１は、ＭＬＡ７０の入射面において、凸側が出力導波路２４ｂ，２４ｃと対向するように配置されていてもよい。また、図５（ｃ）および図５（ｄ）で例示するように、各シリンドリカルレンズ８１は、ＭＬＡ８０の入射面において、凸側が出力導波路２４ｂ，２４ｃと対向するように配置されていてもよい。また、図５（ｅ）および図５（ｆ）で例示するように、シリンドリカルレンズ７１がＭＬＡ７０の入射面において凸側が出力導波路２４ｂ，２４ｃと対向するように配置され、シリンドリカルレンズ８１がＭＬＡ８０の入射面において凸側が出力導波路２４ｂ，２４ｃと対向するように配置されていてもよい。
【００２９】
このように、シリンドリカルレンズ７１，８１の凸側は、出力導波路２４ｂ，２４ｃ側および偏波回転・結合光学系３０側のいずれを向いていてもよい。なお、シリンドリカルレンズ８１がシリンドリカルレンズ７１よりも出力導波路２４ｂ，２４ｃ側に配置されていてもよい。ただし、出力導波路２４ｂ，２４ｃからの出力光においてｙ方向の広がり角がｘ方向の広がり角よりも大きい場合には、シリンドリカルレンズ７１は、シリンドリカルレンズ８１よりも出力導波路２４ｂ，２４ｃ側に配置されていることが好ましい。ｙ方向の広がりを抑制することができるからである。
【実施例２】
【００３０】
実施例１では、ＭＬＡ７０およびＭＬＡ８０のそれぞれにシリンドリカルレンズを設けたが、１枚のＭＬＡの両面にそれぞれシリンドリカルレンズを設けてもよい。図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施例２に係るビーム整形系を例示する図である。図６（ａ）はビーム整形系の上面図であり、図６（ｂ）はビーム整形系の側面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）で例示するように、ＭＬＡ７０の入射面に凸側が出力導波路２４ｂ，２４ｃが対向するようにシリンドリカルレンズ７１を設け、ＭＬＡ７０の出射面に凸側が偏波回転・結合光学系３０と対向するようにシリンドリカルレンズ８１を設けてもよい。この場合、部品点数を低減することができる。また、光軸調整を行う煩雑さを軽減することができる。それにより、コストを抑制することができる。
【００３１】
（変形例）
出力導波路２４ｂ，２４ｃにテーパを設けてもよい。この場合、ｘ方向またはｙ方向のモードフィールドを調整することができるため、出力ファイバ３００との間でモードフィールドを整合させやすくなる。図７（ａ）および図７（ｂ）は、変形例に係る出力導波路２４ｂ，２４ｃを例示する図である。図７（ａ）は出力導波路２４ｂ，２４ｃの上面図であり、図７（ｂ）は出力導波路２４ｂ，２４ｃの側面図である。なお、図７（ａ）および図７（ｂ）では、ビーム整形系も併せて図示されている。
【００３２】
例えば、出力導波路２４ｂ，２４ｃに、出射端に向けて幅が大きくなるテーパを設けてもよい。このように、ｘ方向の導波路の幅を変えることで、ＭＬＡ７０からの出射距離とモードフィールドの大きさとの関係を変えることが可能になる。ｙ方向についても導波路の厚さを変えれば同様の効果が得られる。ただし、半導体変調器では、導波路の厚さは変調効率の面から決まり、同じ基板の中で厚さを変えることは技術的に難しい。したがって、ｘ方向にテーパを設けることが好ましい。すなわち、導波路の幅を調整することで光ファイバとのモードフィールドの整合をすることができる。
【００３３】
上記各例において、シリンドリカルレンズ７１の中心軸を導波路アレイ（半導体変調器２０の出射端面）に対して平行に調整しておけば、ＭＬＡの製造誤差に起因した、光ファイバ側における光軸ずれを抑制することができる。それにより、結合損失やＰＤＬの低減が可能になる。以下、この効果の詳細について説明する。
【００３４】
図８は、ビーム整形系の上面図である。図８の例では、ＭＬＡ７０の入射面にシリンドリカルレンズ７１を設け、出射面にシリンドリカルレンズ８１が設けられている。また、シリンドリカルレンズ７１は、出力導波路２４ａ〜２４ｄから出射される光が透過できる長さを有している。シリンドリカルレンズ８１は、出力導波路２４ａ〜２４ｄのそれぞれに対応して設けられている。すなわち、４本のシリンドリカルレンズ８１が設けられている。
【００３５】
図９（ａ）および図９（ｂ）は、シリンドリカルレンズではなく球面レンズアレイを用いた場合を説明するための図である。図９（ａ）は、偏波回転・結合光学系３０側から半導体変調器２０を見た場合の図である。図９（ｂ）は、側面図である。図９（ａ）で例示するように、互いに独立した４つの球面レンズ６５を用いた場合、製造誤差などに起因して互いの位置にずれが生じる。この場合、特に外側の球面レンズ６５の位置のばらつきが大きくなる。それにより、図９（ｂ）で例示するように、信号光６６ｂ，６６ｃとモニタ光６６ａ，６６ｄとの間でｙ方向において出射角度にばらつきが生じる。
【００３６】
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、シリンドリカルレンズ７１を用いた場合を説明するための図である。図１０（ａ）は、偏波回転・結合光学系３０側から半導体変調器２０を見た場合の図である。図１０（ｂ）は、側面図である。シリンドリカルレンズ７１を用いる場合、出力導波路２４ａ〜２４ｂに対するレンズ位置が互いに独立していないため、各レンズ位置にずれが生じにくい。したがって、シリンドリカルレンズ７１を用いた場合には、シリンドリカルレンズ７１の中心軸（長手方向）を半導体変調器２０に対して調整するだけで、信号光６６ｂ，６６ｃとモニタ光６６ａ，６６ｄとの間でｙ方向における出射角度のばらつきを抑制することができる。なお、図９（ａ）〜図１０（ｂ）では、効果の説明を容易にするために出力光の対象を４つの信号としたが、上記各例のように２つの信号に対しても同様の効果が得られる。
【００３７】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  入力結合光学系
２０  半導体変調器
３０  偏波回転・結合光学系
４０  出力結合光学系
５０ａ，５０ｂ  モニタ光受光素子
７０，８０  ＭＬＡ
７１，８１  シリンドリカルレンズ
１００  光変調器モジュール
２００，３００  光ファイバ
【図１】
2016218406.tif 000003
【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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【図１０】
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