(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路と、該光導波路を伝搬する光の一部を分岐する分岐部とを備えた光導波路素子において、
前記分岐部は、前記光導波路を伝搬する光が入力され、該入力光を予め設定した分岐比に従って２つに分岐して、高強度側の第１の分岐光および低強度側の第２の分岐光を生成し、該第１の分岐光を取り出して第１の出力光とする第１の導波路型カップラーと、該第１の導波路型カップラーで生成された第２の分岐光が入力され、該第２の分岐光を前記第１の導波路型カップラーにおける分岐比と実質的に等しい分岐比に従って２つに分岐して、高強度側の第３の分岐光および低強度側の第４の分岐光を生成し、該第４の分岐光を取り出して第２の出力光とする第２の導波路型カップラーと、を有し、
前記第２の導波路型カップラーは、前記第１の導波路型カップラーにおける前記第２の分岐光の強度の波長依存性に対して、前記第４の分岐光の強度の波長依存性が逆の特性を持つように構成されていることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
前記第１の導波路型カップラーは、２本の入力導波路および２本の出力導波路が、幅広の導波路で構成される干渉部分を介して光学的に接続されたマルチモード干渉計カップラーであり、前記光導波路を伝搬する光が入力される一方の入力導波路に対して、前記干渉部分を挟んで反対側に位置するクロス側の出力導波路から前記高強度側の第１の分岐光を出力し、かつ、前記干渉部分を挟んで同じ側に位置するバー側の出力導波路から前記低強度側の第２の分岐光を出力し、
前記第２の導波路型カップラーは、２本の入力導波路および２本の出力導波路が、幅広の導波路で構成される干渉部分を介して光学的に接続されたマルチモード干渉計カップラーであり、前記第１の導波路型カップラーからの第２の分岐光が入力される一方の入力導波路に対して、前記干渉部分を挟んで反対側に位置するクロス側の出力導波路から前記高強度側の第３の分岐光を出力し、かつ、前記干渉部分を挟んで同じ側に位置するバー側の出力導波路から前記低強度側の第４の分岐光を出力することを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記第１および第２の導波路型カップラーは、前記干渉部分の結合長が互いに異なることを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記第１および第２の導波路型カップラーは、前記干渉部分の幅が互いに異なることを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
【請求項５】
前記第１および第２の導波路型カップラーは、前記干渉部分の屈折率が互いに異なることを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
【請求項６】
前記第１の導波路型カップラーは、２本の光導波路が並設され、該各光導波路の長手方向の中央部分における導波路間隔が他の部分よりも狭くされた近接部分を有する方向性結合器であり、前記光導波路を伝搬する光が入力される一方の光導波路に対して、前記近接部分で他方の光導波路に方向性結合したクロス側の出力光を前記高強度側の第１の分岐光とし、かつ、前記近接部分を通過して一方の光導波路を伝搬したバー側の出力光を前記低強度側の第２の分岐光とし、
前記第２の導波路型カップラーは、２本の光導波路が並設され、該各光導波路の長手方向の中央部分における導波路間隔が他の部分よりも狭くされた近接部分を有する方向性結合器であり、前記第１の導波路型カップラーからの第２の分岐光が入力される一方の光導波路に対して、前記近接部分で他方の光導波路に方向性結合したクロス側の出力光を前記高強度側の第３の分岐光とし、かつ、前記近接部分を通過して一方の光導波路を伝搬したバー側の出力光を前記低強度側の第４の分岐光とすることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項７】
請求項１に記載の光導波路素子を備えたことを特徴とする光学装置。
【請求項８】
導波路型の光変調器を含むことを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成されたマッハツェンダ型光導波路部と、該マッハツェンダ型光導波路部に沿って形成された電極部とを備え、前記マッハツェンダ型光導波路部に入力される光を前記電極部に印加される電気信号に従って変調して出力し、
前記光導波路素子は、前記マッハツェンダ型光導波路部の出力端に接続され、前記第１の出力光を主信号光として前記基板外に出力し、前記第２の出力光をモニタ光として前記基板外に出力することを特徴とする請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
導波路型の光スイッチを含むことを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に利用される光導波路素子に関し、特に、光導波路を伝搬する光を所要の割合で分岐するカップラーを具備した光導波路素子およびそれを用いた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信に利用される導波路型の光学装置として光変調器や光スイッチなどがよく知られている。例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3：ＬＮ）基板等の電気光学結晶を用いた光変調器は、電気光学結晶基板上の一部に金属膜を形成し、それを熱拡散させるか或いはパターニング後に安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路を形成した後、該光導波路に沿って電極を設けることで製作される。このような電気光学結晶を用いた光変調器では、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のバイアス電圧が電極に印加されている。
【０００３】
このバイアス電圧を制御する従来の技術としては、例えば下記の特許文献１において、光変調器の出力側にモニタ用の光検出部を設け、マッハツェンダ（Mach-Zehnder：ＭＺ）型光導波路における出力側のＹ分岐光導波路の分岐部分から放射される放射光をモニタ光として検出し、その検出結果に基づいてバイアス電圧をフィードバック制御する方法が公知である。また、例えば下記の特許文献２においては、ＭＺ型光導波路の出力側に３ｄＢ方向性結合器を設け、この３ｄＢ方向性結合器の２つの出力ポートのうちの一方にモニタ用光導波路を連結し、このモニタ用光導波路を通じて導かれるモニタ光の強度を検出し、その検出結果に基づいてバイアス電圧をフィードバック制御する方法が公知である。
【特許文献１】特許第２７３８０７８号明細書
【特許文献２】特開２００３−２３３０４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のような従来の光変調器におけるバイアス電圧の制御技術では、図１５に示すように、電極への印加電圧に応じて変調された主信号光の波形（実線）に対して、モニタ光の波形（破線）が逆相の関係となる。このような逆相のモニタ光を用いた制御については、近年開発が活発化している、ＤＰＳＫ（Differential Phase Shift Keying）変調方式やＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase Shift Keying）変調方式などの位相変調を主体とした変調方式への対応が難しいという課題がある。
【０００５】
すなわち、例えばＤＰＳＫ変調方式では、光の変調が０およびπの２値の位相で行われ、変調光の強度成分は基本的に変化しないので、主信号光は定常的に発光状態となる。このような主信号光に対して逆相のモニタ光は常に消光状態となるため、バイアス電圧のフィードバック制御を行うことが困難になる。したがって、位相変調を主体とした変調方式に対応するためには、主信号光と同相のモニタ光を用いて制御を行うことが望まれる。
【０００６】
同相のモニタ光を取り出すためには、例えば図１６に示すように、ＭＺ光型光導波路１１０の出力側のＹ分岐に繋がる出力導波路上に導波路カップラー１３０を形成し、該導波路カップラー１３０を利用して主信号光の一部を取り出す構成が考えられる。このような構成では、主信号光の損失をなるべく小さくするため、モニタ光は信号光に対して極少量取り出す必要があり、入力光量に対してモニタ光量が−１０ｄＢとなるような１：１０の分岐比を有するカップラーや、入力光量に対してモニタ光量が−２０ｄＢになるような１：２０の分岐比を有するカップラーなどを利用するのが好ましい。なお、本明細書中では、上記のような１：１０や１：２０で表記されるカップラーの分岐比を結合度と呼ぶこともある。
【０００７】
しかしながら、上記の図１６に示したような構成により同相モニタ光を取り出す場合、該モニタ光の強度が波長に依存して大きく変化してしまうという問題点がある。この同相モニタ光の波長依存性について図１７〜図１９を参照しながら詳しく説明する。
【０００８】
図１７は、代表的な導波路型カップラーの１つであるマルチモード干渉計（Multi-Mode-Interferometer：ＭＭＩ）カップラーの原理図である。このＭＭＩカップラーにおいて、図で左下に位置する片方の入力導波路より入射した光Ｅ０は、幅広の導波路で構成される干渉部分でマルチモードとなり、偶モード光と奇モード光に分離する。干渉部分では偶モード光と奇モード光の伝搬定数が異なるため、各モード間の位相差に依存してカップラーの分岐比が変化する。例えば、偶モードおよび奇モード間の位相差がπ／２の場合、入力光Ｅ０のほぼ全てが図で右下に位置するモニタ側の出力導波路から出射される光Ｅ２となる。一方、偶モードおよび奇モード間の位相差がπの場合には、入力光Ｅ０のほぼ全てが図で右上に位置する主信号側の出力導波路から出射される光Ｅ１となる。
【０００９】
図１８は、偶モードおよび奇モード間の位相差に対する、主信号側およびモニタ側の各出力導波路に対応した出力光Ｅ１，Ｅ２の強度変化を計算した一例である。なお、図１８の横軸は位相差を表し、縦軸は入力光強度に対する出力光強度をデシベル（ｄＢ）表示している。図１８において、例えば、破線で示した位相差φを選ぶことにより、主信号側の出力光Ｅ１の強度に対するモニタ側の出力光Ｅ２の強度が−１０ｄＢとなり、分岐比が１：１０のＭＭＩカップラーを実現することができる。この１：１０ＭＭＩカップラーにおいて、入力光Ｅ０の波長が変化すると、干渉部分で生じる偶モードおよび奇モード間の位相差が変化することになる。この位相差の変化に対して、主信号側の出力光Ｅ１の強度はあまり変化しない一方、モニタ側の出力光Ｅ２の強度は大きく変化することが、図１８の各出力光に対応した曲線の傾きの違いより明らかである。すなわち、モニタ側の出力光Ｅ２の強度は大きな波長依存性を持つことが分かる。図１９は、横軸に波長をとって、モニタ側の出力光強度の波長依存性を示したものであり、この一例では、１５３０ｎｍ〜１６１０ｎｍの波長の変化に対して、モニタ側の出力光強度が３ｄＢ程度変化している。
【００１０】
このようなモニタ光の大きな波長依存性は、前述したような光変調器におけるバイアス電圧の制御精度を著しく低下させることになり問題となる。また、このような問題は、光変調器だけに限らず、光スイッチ等の様々な光学装置でも導波路型カップラーを用いてモニタ系を構成する場合には同様に生じる可能性がある。
【００１１】
本発明は上記の点に着目してなされたもので、導波路型カップラーを用いて分岐した光の強度の波長依存性を低減させることのできる光導波路素子およびそれを用いた光学装置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】
【００１２】
上記の目的を達成するため本発明の一態様は、光導波路と、該光導波路を伝搬する光の一部を分岐する分岐部とを備えた光導波路素子において、前記分岐部が、前記光導波路を伝搬する光が入力され、該入力光を予め設定した分岐比に従って２つに分岐して、高強度側の第１の分岐光および低強度側の第２の分岐光を生成し、該第１の分岐光を取り出して第１の出力光とする第１の導波路型カップラーと、該第１の導波路型カップラーで生成された第２の分岐光が入力され、該第２の分岐光を前記第１の導波路型カップラーにおける分岐比と実質的に等しい分岐比に従って２つに分岐して、高強度側の第３の分岐光および低強度側の第４の分岐光を生成し、該第４の分岐光を取り出して第２の出力光とする第２の導波路型カップラーと、を有する。そして、前記第２の導波路型カップラーは、前記第１の導波路型カップラーにおける前記第２の分岐光の強度の波長依存性に対して、前記第４の分岐光の強度の波長依存性が逆の特性を持つように構成されている。
【００１３】
このような光導波路素子では、分岐部の第２の導波路型カップラーから取り出される第２の出力光の強度の波長依存性は、第１の導波路型カップラーにおける低強度側の第２の分岐光の強度の波長依存性と、第２の導波路型カップラーにおける低強度側の第４の分岐光の強度の波長依存性との足し合わせとなるので、互いの波長依存性が打ち消し合い結果として波長依存性の低減された第２の出力光が得られるようになる。
【００１４】
また、上記の光導波路素子における第１および第２の導波路型カップラーについては、それぞれ、２本の入力導波路および２本の出力導波路が、幅広の導波路で構成される干渉部分を介して光学的に接続されたマルチモード干渉計（ＭＭＩ）カップラーを用いてもよく、或いは、２本の光導波路が並設され、該各光導波路の長手方向の中央部分における導波路間隔が他の部分よりも狭くされた近接部分を有する方向性結合器を用いても構わない。ＭＭＩカップラーを用いる場合には、光導波路を伝搬する光（第１の導波路型カップラーからの第２の分岐光）が入力される一方の入力導波路に対して、干渉部分を挟んで反対側に位置するクロス側の出力導波路から高強度側の第１の分岐光（第３の分岐光）を出力し、かつ、干渉部分を挟んで同じ側に位置するバー側の出力導波路から低強度側の第２の分岐光（第４の分岐光）を出力することになる。また、方向性結合器を用いる場合には、光導波路を伝搬する光（第１の導波路型カップラーからの第２の分岐光）が入力される一方の光導波路に対して、近接部分で他方の光導波路に結合したクロス側の出力光を高強度側の第１の分岐光（第３の分岐光）とし、かつ、近接部分を通過して一方の光導波路を伝搬したバー側の出力光を低強度側の第２の分岐光（第４の分岐光）とすることになる。
【発明の効果】
【００１５】
上記のような光導波路素子によれば、分岐部で取り出される第１の出力光と第２の出力光との間に大きな強度差があるような場合であっても、第２の出力光の強度の波長依存性を低減することができる。よって、例えば導波路型の光変調器や光スイッチ等を備えた光学装置のモニタ系を上記の光導波路素子を用いて構成すれば、分岐部で取り出される第２の出力光をモニタ光とすることで良好なモニタ特性を実現することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図１は、本発明の第１実施形態による光導波路素子を用いた光変調器の構成を示す平面図である。
【００１７】
図１において、本実施形態の光変調器は、例えば、電気光学効果を有する基板１と、該基板１の表面付近に形成されたＭＺ型光導波路部１０と、該ＭＺ型光導波路部１０に沿って設けられた電極部２０と、ＭＺ型光導波路部１０の出力導波路１６に接続された分岐部３０と、を備えて構成される。
【００１８】
ＭＺ型光導波路部１０は、入力導波路１１に入力される光Ｅｉｎを入力側のＹ分岐導波路１２で２つの光に分離して第１アーム１３および第２アーム１４にそれぞれ送り、第１、２アーム１３，１４を伝搬した各光を出力側のＹ分岐導波路１５で合波して出力導波路１６に導くように構成されている。
【００１９】
電極部２０は、ＭＺ型光導波路部１０の一方のアーム（ここでは第１アーム１３）に沿って基板１上に形成された信号電極２１と、該信号電極２１に所要の間隔を隔てて形成された接地電極２２とからなる。信号電極２１には、図示しない駆動回路から出力される変調信号およびバイアス電圧が印加される。なお、ここでは一方のアーム上に信号電極２１を設けた片側駆動の構成例を示したが、両方のアーム上に信号電極を設けた両側駆動の構成であっても構わない。
【００２０】
分岐部３０は、例えば、直列に接続された第１および第２の導波路型カップラー３１，３２を有し、主信号側の出力光Ｅｏｕｔ（第１の出力光）が前段の導波路型カップラー３１から取り出され、モニタ側の出力光Ｅｍｏｎ（第２の出力光）が後段の導波路型カップラー３２から取り出される構成となっている。
【００２１】
図２は、上記分岐部３０の具体的な構成例を示す拡大図である。
図２の構成例は、前段および後段の導波路型カップラー３１，３２として、マルチモード干渉計（ＭＭＩ）カップラー３１Ａ，３２Ａを適用したものである。各ＭＭＩカップラー３１，３２は、それぞれ、２本の入力導波路および２本の出力導波路が、幅広の導波路で構成される干渉部分を介して光学的に接続されており、各々の分岐比が１：Ｎ（例えば、１：１０など）で実質的に等しくなるように設計されている。前段のＭＭＩカップラー３１Ａと後段のＭＭＩカップラー３２Ａの違いは、干渉部分の形状にあり、本実施形態では、光の進行方向に沿った干渉部分の長さ（以下、結合長とする）Ｌｃ１，Ｌｃ２が、後述する出力光強度の波長依存性を考慮して異なる値に設定されている。なお、光の進行方向に直交する干渉部分の幅は、前段および後段のＭＭＩカップラー３１Ａ，３２Ａともに同じ値Ｗｗとしている。
【００２２】
このようなＭＭＩカップラー３１Ａ，３２Ａを用いた分岐部３０に対して、ＭＺ型光導波路部１０の出力導波路１６を伝搬する光が、前段のＭＭＩカップラー３１Ａの一方の入力導波路に入力され、該入力光Ｅ０が１：Ｎに分岐にされて、高強度側の分岐光Ｅ１１（第１の分岐光）が主信号側の出力光Ｅｏｕｔとして基板１外に出力される。前段のＭＭＩカップラー３１Ａにおける低強度側の分岐光Ｅ１２（第２の分岐光）は、さらに、後段のＭＭＩカップラー３２Ａの一方の入力導波路に入力されて１：Ｎに分岐され、低強度側の分岐光Ｅ２２（第４の分岐光）がモニタ側の出力光Ｅｍｏｎとして基板１外に出力される。なお、後段のＭＭＩカップラー３２Ａにおける高強度側の分岐光Ｅ２１（第３の分岐光）は基板１内に放射される。
【００２３】
ここで、上記のような分岐部３０における主信号側およびモニタ側の出力光強度の波長依存性について詳しく説明する。
前述したように、ＭＭＩカップラーにおける出力光強度の波長依存性の原因としては、干渉部分での偶モードおよび奇モード間の位相差が光の波長に依存して変化することが考えられる。波長に依存した位相差の変化は、波長により導波路の実効屈折率が変化することに起因しており、例えば図３に示すように、波長が長くなると位相差が大きくなる傾向にある。
【００２４】
このような波長に依存した位相差の変化により、個々のＭＭＩカップラーから出力される各分岐光Ｅ１１，Ｅ１２（Ｅ２１，Ｅ２２）の強度は、前述の図１８を拡大した図４に示すように変動することになるが、例えば、矢印および破線で指し示した２つの位相状態φ１，φ２を考えると、各々では位相差の変化に対する出力光強度の変動方向が逆となる。つまり、２つの位相状態φ１，φ２では出力光強度の波長依存性が逆となる。この特性に着目して本発明は、２つの位相状態φ１，φ２を組み合わせることにより、モニタ側の出力光Ｅｍｏｎの波長依存性が低減されるようにしている。
【００２５】
具体的に、上記図２の構成例では、前段および後段のＭＭＩカップラー３１Ａ，３２Ａの各結合長Ｌｃ１，Ｌｃ２を異ならせることによって、上記２つの位相状態φ１，φ２を実現している。ＭＭＩカップラーの結合長と位相差の関係は、図５の一例に示すように、結合長に比例して位相差が大きくなるので、導波路の条件に応じてＭＭＩカップラー３１Ａ，３２Ａの各結合長Ｌｃ１，Ｌｃ２を設計することが可能である。例えば、ＬＮ基板上におよそ０．１μｍの厚さでＴｉ層を形成し、１０００℃−１０時間の熱処理でＴｉを拡散して作製した導波路の場合、Ｌｃ１＝３００μｍ、Ｌｃ２＝５７０μｍ、Ｗｗ＝１８μｍとすることで、上記図４の２つの位相状態φ１，φ２を実現することができる。ただし、本発明は上記の具体例に限定されない。
【００２６】
上記のような分岐部３０を具備する光変調器では、ＭＺ型光導波路部１０の入力導波路１１に入力された光Ｅｉｎが、入力側のＹ分岐導波路１２で２分岐され、第１、２アーム１３，１４をそれぞれ伝搬して出力側のＹ分岐導波路１５で合波されることにより、信号電極２１に印加される変調信号に従って強度変調された信号光が出力導波路１６を伝搬して分岐部３０に送られる。
【００２７】
分岐部３０では、ＭＺ型光導波路部１０からの信号光が、前段のＭＭＩカップラー３１Ａの一方の入力導波路に入力されて干渉部分に送られる。そして、結合長Ｌｃ１の干渉部分において偶モード光および奇モード光の間に位相差φ１が与えられることにより、１：Ｎの分岐比に従って分岐された光Ｅ１１，Ｅ１２が前段のＭＭＩカップラー３１Ａの各出力導波路に導かれる。このとき、図６に示すように、高強度側の分岐光Ｅ１１は、波長の変化に対する強度の変動が僅かである（図６中の×印参照）のに対して、低強度側の分岐光Ｅ１２は、波長の増加に伴って強度が低下する波長依存性を示す（図６中の菱形印参照）。
【００２８】
前段のＭＭＩカップラー３１Ａにおける高強度側の分岐光Ｅ１１は、主信号側の出力光Ｅｏｕｔとして基板１の外部に出力される。一方、低強度側の分岐光Ｅ１２は、後段のＭＭＩカップラー３２Ａの一方の入力導波路に入力され、結合長Ｌｃ２の干渉部分において、偶モード光および奇モード光の間に位相差φ２が与えられることにより、１：Ｎの分岐比に従って分岐された光Ｅ２１，Ｅ２２が後段のＭＭＩカップラー３２Ａの各出力導波路に導かれる。このとき、後段のＭＭＩカップラー３２Ａを単体で用いた場合を想定すると、低強度側の分岐光Ｅ２２は、波長の増加に伴って強度が増加する波長依存性を示す（図６中の四角印参照）。このため、ＭＭＩカップラー３１Ａ，３２Ａを直列に接続した構成の場合、後段のＭＭＩカップラー３２Ａにおける低強度側の分岐光は、上記のＥ１２とＥ２２の特性を足し合わせたものとなり、前段側の波長依存性が後段側の波長依存性で打ち消されるようになる（図６中の太線参照）。
【００２９】
上記のように本実施形態の光変調器によれば、カップラーの分岐比が例えば１：１０などのように主信号光とモニタ光との間に大きな強度差がある場合でも、モニタ側の出力光強度の波長依存性を低減することが可能となり、光変調器のモニタ光Ｅｍｏｎとして良好な特性を得ることができる。このモニタ光Ｅｍｏｎの波形は、主信号光Ｅｏｕｔの波形に対して同相の関係となるので、ＤＰＳＫやＤＱＰＳＫなどの位相変調を主体とした変調方式に対応することが可能である。上記のようなモニタ光Ｅｍｏｎを利用して公知の方法により信号電極２１に印加するバイアス電圧のフィードバック制御を行うようにすれば、ＭＺ型光変調器の動作点ドリフトを確実に補償することが可能になる。
【００３０】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２実施形態における分岐部３０の具体的な構成例を示す拡大図である。なお、光変調器全体の構成は、上記図１に示した第１実施形態の場合と同一であるため図示および説明を省略する。
【００３１】
図７の構成例は、図１における分岐部３０内の前段および後段の導波路型カップラー３１，３２として、導波路型の方向性結合器３１Ｂ，３２Ｂを適用している。各方向性結合器３１Ｂ，３２Ｂは、それぞれ、２本の光導波路が並設され、該各光導波路の長手方向（光の伝搬方向）の中央部分における導波路間隔が他の部分よりも狭くされた近接部分を有し、該近接部分において一方の光導波路を伝搬する光の一部が他方の光導波路に方向性結合するようになっており、各々の分岐比が１：Ｎ（例えば、１：１０など）で実質的に等しくなるように設計されている。前段の方向性結合器３１Ｂと後段の方向性結合器３２Ｂの違いは、上記導波路の近接部分における光の伝搬方向の長さ（以下、結合長とする）Ｌｃ１，Ｌｃ２が、前述したＭＭＩカップラーの場合と同様に、出力光強度の波長依存性を考慮して異なる値に設定されている。なお、近接部分における導波路の間隔は、前段および後段の方向性結合器３１Ｂ，３２Ｂともに同じ値Ｇａｐとしている。
【００３２】
この図７の分岐部３０に対しては、ＭＺ型光導波路部１０の出力導波路１６を伝搬する光が、前段の方向性結合器３１Ｂの一方の導波路（図７において下側に位置する導波路）に入力され、該入力光Ｅ０の一部が近接部分で他方の導波路に方向性結合して１：Ｎに分岐にされて、高強度側の分岐光Ｅ１１が主信号側の出力光Ｅｏｕｔとして基板１外に出力される。前段の方向性結合器３１Ｂにおける低強度側の分岐光Ｅ１２は、さらに、後段の方向性結合器３２Ｂの一方の導波路（図７において上側に位置する導波路）に入力されて１：Ｎに分岐され、低強度側の分岐光Ｅ２２がモニタ側の出力光Ｅｍｏｎとして基板１外に出力される。なお、後段の方向性結合器３２Ｂにおける高強度側の分岐光Ｅ２１は基板１内に放射される。
【００３３】
上記のような方向性結合器３１Ｂ，３２Ｂを用いた分岐部３０を具備する光変調器の動作は、前述した第１実施形態の場合と同様であり、前段および後段の方向性結合器３１Ｂ，３２Ｂの近接部分の結合長Ｌｃ１，Ｌｃ２を異ならせることによって、前述の図４に示した２つの位相状態φ１，φ２を実現し、前段の方向性結合器３１Ｂにおける出力光強度の波長依存性を、後段の方向性結合器３２Ｂにおける出力光強度の波長依存性で打ち消すようにしている。これにより、分岐比が例えば１：１０などのように主信号光とモニタ光との間に大きな強度差がある場合でも、モニタ側の出力光強度の波長依存性を低減することができ、光変調器のモニタ光Ｅｍｏｎとして良好な特性を得ることが可能になる。
【００３４】
なお、上述した第１、２実施形態では、分岐部３０について、ＭＭＩカップラー３１Ａ，３２Ａの干渉部分の結合長Ｌｃ１，Ｌｃ２、または、方向性結合器３１Ｂ，３２Ｂの近接部分の結合長Ｌｃ１，Ｌｃ２を異ならせることにより、分岐比１：Ｎに対応した２つの位相状態φ１，φ２を実現するようにしたが、例えば図８に示すように、ＭＭＩカップラーの干渉部分の結合長は前段および後段ともに同じ長さＬｃとし、干渉部分の幅を前段および後段で異ならせるようにしてもよい。
【００３５】
具体的に図８の構成例では、前段のＭＭＩカップラー３１Ａ’の干渉部分の幅Ｗｗ１が、後段のＭＭＩカップラー３２Ａ’の干渉部分の幅Ｗｗ２よりも広くなるようにしている。干渉部分の幅を相対的に広くすることで、結合長が同じであっても干渉部分における位相変化量が少なくなる。これは結合長が短い場合に相当するので、前述の図４に示した２つの位相状態φ１，φ２が実現される。
【００３６】
上記の図８と同様の構成は、方向性結合器についても適用可能であり、例えば図９に示すように、方向性結合器３１Ｂ’，３２Ｂ’の近接部分の結合長は同じＬｃとし、前段の方向性結合器３１Ｂ’の近接部分における導波路の間隔Ｇａｐ１を、後段の方向性結合器３２Ｂ’の近接部分における導波路の間隔Ｇａｐ２よりも広くして、２つの位相状態φ１，φ２を実現するようにしてもよい。
【００３７】
上記のようなＭＭＩカップラー３１Ａ’，３２Ａ’または方向性結合器３１Ｂ’，３２Ｂ’を分岐部３０に適用すれば、光の進行方向についての分岐部３０の長さが短くなるので、光変調器の小型化を図ることが可能になる。
【００３８】
さらに、例えば図１０に示すように、前段および後段のＭＭＩカップラー３１Ａ”，３２Ａ”の干渉部分の形状は同一（結合長Ｌｃおよび幅Ｗｗ）にして、干渉部分の屈折率を前段および後段で異ならせるようにすることも可能である。具体的には、前段のＭＭＩカップラー３１Ａ”の干渉部分の屈折率Δｎ１が、後段のＭＭＩカップラー３２Ａ”の干渉部分の屈折率Δｎ２よりも大きくなるように設計することで、結合長および幅が同じであっても干渉部分における位相変化量が少なくなる。これは結合長が短い場合に相当するので、前述の図４に示した２つの位相状態φ１，φ２が実現される。
【００３９】
上記の図１０と同様の構成は、方向性結合器についても適用可能であり、例えば図１１に示すように、方向性結合器３１Ｂ”，３２Ｂ”の近接部分の形状は同一（結合長Ｌｃおよび導波路間隔Ｇａｐ）にし、前段の方向性結合器３１Ｂ”の近接部分における各導波路の屈折率Δｎ１を、後段の方向性結合器３２Ｂ”の近接部分における各導波路の屈折率Δｎ２よりも大きくして、２つの位相状態φ１，φ２を実現するようにしてもよい。
【００４０】
上記のようなＭＭＩカップラー３１Ａ”，３２Ａ”または方向性結合器３１Ｂ”，３２Ｂ”を分岐部３０に適用すれば、前段および後段のカップラーの導波路パターンを共通化できるため、分岐部３０のパターン設計を容易に行うことが可能になる。
【００４１】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第３実施形態による光導波路素子を用いた光変調器の構成を示す平面図である。
【００４２】
図１２において、本光変調器の構成が上述した第１実施形態の構成（図１）と異なる点は、ＭＺ型光導波路部１０における出力側のＹ分岐導波路１５および出力導波路１６に相当する部分が、分岐部４０の前段の導波路型カップラー４１により構成されるようにしている点である。上記分岐部４０は、例えば図１３の拡大図に示すように、前段および後段の導波路型カップラー４１，４２として、１：１の分岐比を有するＭＭＩカップラー４１Ａ，４２Ａが適用され、該各ＭＭＩカップラー４１Ａ，４２Ａの干渉部分の結合長Ｌｃ１’，Ｌｃ２’が、上述した第１実施形態の場合と同様に、出力光強度の波長依存性を考慮して異なる値に設定されている。
【００４３】
この図１３の分岐部４０に対しては、ＭＺ型光導波路部１０の第１アーム１３を伝搬した光Ｅ０’が、前段のＭＭＩカップラー４１Ａの一方の入力導波路に入力されると共に、ＭＺ型光導波路部１０の第２アーム１４を伝搬した光Ｅ０”が、前段のＭＭＩカップラー４１Ａの他方の入力導波路に入力される。そして、前段のＭＭＩカップラー４１Ａに入力された各光Ｅ０’，Ｅ０”は、干渉部分を伝搬することで一旦合波された後に、１：１の割合で２つの光に分岐されて、一方の分岐光Ｅ１１が主信号側の出力光Ｅｏｕｔとして基板１外に出力され、他方の分岐光Ｅ１２が後段のＭＭＩカップラー４２Ａに送られる。後段のＭＭＩカップラー４２Ａでは、入力光Ｅ１２がさらに１：１の割合で２つの光に分岐され、一方の分岐光Ｅ２２がモニタ側の出力光Ｅｍｏｎとして基板１外に出力され、他方の分岐光Ｅ２１は基板１内に放射される。
【００４４】
上記のような構成の光変調器では、分岐部４０の前段のＭＭＩカップラー４１Ａから出力される主信号光Ｅｏｕｔの波形に対して、後段のＭＭＩカップラー４２Ａから出力されるモニタ光Ｅｍｏｎの波形は逆相の関係になる。このため、ＤＰＳＫやＤＱＰＳＫなどの位相変調を主体とした変調方式に対応することは困難であるが、強度変調方式を適用した光変調器において、モニタ光強度の波長依存性が問題視されるような場合には、本実施形態の構成を適用するのが有効である。すなわち、分岐部４０における前段および後段のＭＭＩカップラー４１Ａ，４２Ａの干渉部分の結合長Ｌｃ１’，Ｌｃ２’を異ならせることによって、例えば図１４の矢印および破線で指し示した２つの位相状態φ１’，φ２’が実現され、前段のＭＭＩカップラー４１Ａにおける出力光強度の波長依存性が、後段のＭＭＩカップラー４２Ａにおける出力光強度の波長依存性で打ち消されるようになるため、上記光変調器のモニタ光Ｅｍｏｎとして良好な特性を得ることが可能になる。
【００４５】
なお、上記の第３実施形態では、分岐部４０の前段および後段の導波路型カップラーとしてＭＭＩカップラーを適用した構成例を示したが、前述の図７に示したような方向性結合器を用いて前段および後段の導波路型カップラーを構成するようにしてもよい。また、前述の図８〜図１１に示した場合と同様にして、前段および後段のＭＭＩカップラーの干渉部分の幅若しくは屈折率（または、前段および後段の方向性結合器の近接部分の導波路間隔若しくは導波路の屈折率）を異ならせることにより、図１４に示した２つの位相状態φ１’，φ２’を実現することも可能である。
【００４６】
さらに、上述した第１〜第３の実施形態では、分岐部３０，４０がＭＺ型光変調器のモニタ系として用いられる場合を説明したが、本発明による光導波路素子（分岐部）が適用される光学装置はＭＺ型光変調器に限定されるものではない。例えば、導波路型の光スイッチにおいて出力光の強度をモニタしてスイッチング動作を制御するような場合のモニタ系としても本発明による光導波路素子は有効である。また、本発明による光導波路素子は、主信号光のモニタ系としての用途だけでなく、導波路型の分岐カップラーを用いて入力光の一部を分岐し複数の出力光を取り出すことを目的とした様々な用途に有効であり、該用途に応じて、光学装置内での光導波路素子の適用箇所を適宜に決めることが可能である。
【００４７】
以上の各実施形態に関して、さらに以下の付記を開示する。
【００４８】
（付記１）  光導波路と、該光導波路を伝搬する光の一部を分岐する分岐部とを備えた光導波路素子において、
前記分岐部は、前記光導波路を伝搬する光が入力され、該入力光を予め設定した分岐比に従って２つに分岐して第１および第２の分岐光を生成し、該第１の分岐光を取り出して第１の出力光とする第１の導波路型カップラーと、該第１の導波路型カップラーで生成された第２の分岐光が入力され、該第２の分岐光を前記第１の導波路型カップラーにおける分岐比と実質的に等しい分岐比に従って２つに分岐して第３および第４の分岐光を生成し、該第４の分岐光を取り出して第２の出力光とする第２の導波路型カップラーと、を有し、
前記第２の導波路型カップラーは、前記第１の導波路型カップラーにおける前記第２の分岐光の強度の波長依存性に対して、前記第４の分岐光の強度の波長依存性が逆の特性を持つように構成されていることを特徴とする光導波路素子。
【００４９】
（付記２）  前記第１および第２の導波路型カップラーは、それぞれ、２本の入力導波路および２本の出力導波路が、幅広の導波路で構成される干渉部分を介して光学的に接続されたマルチモード干渉計カップラーであることを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
【００５０】
（付記３）  前記第１および第２の導波路型カップラーは、前記干渉部分の結合長が互いに異なることを特徴とする付記２に記載の光導波路素子。
【００５１】
（付記４）  前記第１および第２の導波路型カップラーは、前記干渉部分の幅が互いに異なることを特徴とする付記２に記載の光導波路素子。
【００５２】
（付記５）  前記第１および第２の導波路型カップラーは、前記干渉部分の屈折率が互いに異なることを特徴とする付記２に記載の光導波路素子。
【００５３】
（付記６）  前記第１および第２の導波路型カップラーは、それぞれ、２本の光導波路が並設され、該各光導波路の長手方向の中央部分における導波路間隔が他の部分よりも狭くされた近接部分を有する方向性結合器であることを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
【００５４】
（付記７）  前記第１および第２の導波路型カップラーは、前記近接部分の結合長が互いに異なることを特徴とする付記６に記載の光導波路素子。
【００５５】
（付記８）  前記第１および第２の導波路型カップラーは、前記近接部分の導波路間隔が互いに異なることを特徴とする付記６に記載の光導波路素子。
【００５６】
（付記９）  前記第１および第２の導波路型カップラーは、前記近接部分の屈折率が互いに異なることを特徴とする付記６に記載の光導波路素子。
【００５７】
（付記１０）  付記１に記載の光導波路素子を備えたことを特徴とする光学装置。
【００５８】
（付記１１）  導波路型の光変調器を含むことを特徴とする付記１０に記載の光学装置。
【００５９】
（付記１２）  前記光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成されたマッハツェンダ型光導波路部と、該マッハツェンダ型光導波路部に沿って形成された電極部とを備え、前記マッハツェンダ型光導波路部に入力される光を前記電極部に印加される電気信号に従って変調して出力し、
前記光導波路素子は、前記マッハツェンダ型光導波路部の出力端に接続され、前記第１の出力光を主信号光として前記基板外に出力し、前記第２の出力光をモニタ光として前記基板外に出力することを特徴とする付記１１に記載の光学装置。
【００６０】
（付記１３）  前記マッハツェンダ型光導波路部は、光が入力される入力導波路と、該入力導波路を伝搬する光を２つに分岐する入力側のＹ分岐導波路と、該入力側のＹ分岐導波路で分岐された光がそれぞれ与えられる第１アームおよび第２アームと、該第１および第２アームを伝搬する光を合波する出力側のＹ分岐導波路と、該出力側のＹ分岐導波路で合波された光が与えられる出力導波路とを有し、
前記光導波路素子は、前記マッハツェンダ型光導波路部の出力導波路から出力される光が前記第１の導波路型カップラーに入力され、前記主信号光および前記モニタ光が同相の関係となることを特徴とする付記１２に記載の光学装置。
【００６１】
（付記１４）  前記マッハツェンダ型光導波路部は、光が入力される入力導波路と、該入力導波路を伝搬する光を２つに分岐する入力側のＹ分岐導波路と、該入力側のＹ分岐導波路で分岐された光がそれぞれ与えられる第１アームおよび第２アームとを有し、
前記光導波路素子は、前記マッハツェンダ型光導波路部の第１および第２アームを伝搬した各光が前記第１の導波路型カップラーに入力され、前記主信号光および前記モニタ光が逆相の関係となることを特徴とする付記１２に記載の光学装置。
【００６２】
（付記１５）  導波路型の光スイッチを含むことを特徴とする付記１０に記載の光学装置。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明による光変調器の第１実施形態の構成を示す平面図である。
【図２】上記第１実施形態に用いられる分岐部の具体的な構成例を示す拡大図である。
【図３】ＭＭＩカップラーにおける位相差の波長依存性の一例を示す図である。
【図４】上記第１実施形態におけるＭＭＩカップラーの出力光強度と偶奇モード間の位相差との関係を説明するための図である。
【図５】上記第１実施形態におけるＭＭＩカップラーの結合長と位相差の関係を説明するための図である。
【図６】上記第１実施形態の分岐部によるモニタ光強度の波長依存性低減効果を説明するための図である。
【図７】本発明による光変調器の第２実施形態に用いられる分岐部の具体的な構成例を示す拡大図である。
【図８】上記第１実施形態の分岐部に関連して、ＭＭＩカップラーの干渉部分の幅を異ならせるようにした他の構成例を示す拡大図である。
【図９】上記第２実施形態の分岐部に関連して、方向性結合器の近接部分における導波路の間隔を異ならせるようにした他の構成例を示す拡大図である。
【図１０】上記第１実施形態の分岐部に関連して、ＭＭＩカップラーの干渉部分の屈折率を異ならせるようにした別の構成例を示す拡大図である。
【図１１】上記第２実施形態の分岐部に関連して、方向性結合器の近接部分における導波路の屈折率を異ならせるようにした別の構成例を示す拡大図である。
【図１２】本発明による光変調器の第３実施形態の構成を示す平面図である。
【図１３】上記第３実施形態に用いられる分岐部の具体的な構成例を示す拡大図である。
【図１４】上記第３実施形態におけるＭＭＩカップラーの出力光強度と偶奇モード間の位相差との関係を説明するための図である。
【図１５】従来の光変調器における出力光強度と印加電圧の関係を説明するための図である。
【図１６】主信号光と同相のモニタ光を取り出すための光変調器の構成例を示す平面図である。
【図１７】ＭＭＩカップラーの動作原理を説明するための図である。
【図１８】ＭＭＩカップラーの出力光強度と偶奇モード間の位相差との関係を示す図である。
【図１９】図１６の構成例におけるモニタ光の強度の波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…基板
１０…ＭＺ型光導波路部
１１…入力導波路
１２，１５…Ｙ分岐導波路
１３…第１アーム
１４…第２アーム
１６…出力導波路
２０…電極部
２１…信号電極
２２…接地電極
３０，４０…分岐部
３１，４１…前段の導波路カップラー
３２，４２…後段の導波路カップラー
３１Ａ，３１Ａ’，３１Ａ”，４１Ａ…前段のＭＭＩカップラー
３２Ａ，３２Ａ’，３２Ａ”，４２Ａ…後段のＭＭＩカップラー
３１Ｂ，３１Ｂ’，３１Ｂ”…前段の方向性結合器
３２Ｂ，３２Ｂ’，３２Ｂ”… 方向性結合器
Ｅｏｕｔ…主信号光
Ｅｍｏｎ…モニタ光
Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２…分岐光
Ｌｃ，Ｌｃ１，Ｌｃ２，Ｌｃ１’，Ｌｃ２’…結合長
Ｗｗ，Ｗｗ１，Ｗｗ２…ＭＭＩカップラーの干渉部分の幅
Ｇａｐ，Ｇａｐ１，Ｇａｐ２…方向性結合器の近接部分の導波路間隔
Δｎ１，Δｎ２…屈折率
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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