JP2015172629A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】変調効率を向上しつつ、光の伝播損失を抑制すること。【解決手段】光変調器は、基板と、電極と、光導波路とを備える。基板は、平坦部と、該平坦部から突出する凸部とを有する。電極は、凸部によって支持される。光導波路は、凸部の内部に形成され、電極に印加される電圧を用いて変調される光を導波する。凸部は、光導波路により導波される光が分布する光分布領域のうち電極側に存在する一部の領域を収容する。平坦部を基準とした凸部の先端の高さは、凸部の突出方向に沿った光分布領域の幅よりも小さい。凸部の先端の幅は、凸部の突出方向に直交する方向に沿った光分布領域の幅よりも小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、光変調器に関する。

近年の光通信システムの高速化及び大容量化に伴って、光変調器の変調効率を向上することが検討されている。光変調器の変調効率を向上するための構造として、基板の平坦部から電極を支持するための凸部を突出させ、かつ、変調対象となる光を導波する光導波路を凸部の内部に形成する構造が知られている。この構造では、光導波路により導波される光のモードフィールドが凸部の内部に閉じ込められる。このため、凸部上の電極に電圧が印加されると、凸部の内部に閉じ込められた光が電圧によって効率的に変調される。なお、光のモードフィールドとは、光導波路により導波される光が分布する領域を指す。

国際公開第２０１０／０９５３３３号

しかしながら、従来の構造では、変調効率を向上しつつ、光の伝播損失を抑制することまでは考慮されていない。

すなわち、従来の構造では、変調効率をさらに向上するために、基板の平坦部を基準とした凸部の先端の高さを増大することが考えられる。しかしながら、凸部の先端の高さを増大するほど、凸部上の電極から延びる電気力線の長さが長くなる。凸部上の電極から延びる電気力線の長さが長くなるほど、凸部の内部に形成された光導波路において発生する電界が弱くなる。その結果、変調効率が低下する恐れがある。

一方で、凸部の先端の高さが減少するほど、凸部上の電極から延びる電気力線の長さは、短くなる。しかしながら、凸部の先端の高さが減少するほど、凸部の内部に形成された光導波路に直交する方向の電界成分が弱くなる。その結果、変調効率が低下する恐れがある。

さらに、従来の構造では、変調効率をさらに向上するために、凸部の先端の幅を小さくすることも考えられる。しかしながら、凸部の先端の幅を過度に小さくした場合には、凸部の内部に形成された光導波路から凸部の側面へ向かう光が、凸部の側面の表面荒れによって散乱する。結果として、凸部の先端の幅を過度に小さくした場合には、光の伝播損失が増大する恐れがある。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、変調効率を向上しつつ、光の伝播損失を抑制することを目的とする。

本願の開示する光変調器は、一つの態様において、基板と、電極と、光導波路とを備える。基板は、平坦部と、該平坦部から突出する凸部とを有する。電極は、前記凸部によって支持される。光導波路は、前記凸部の内部に形成され、前記電極に印加される電圧を用いて変調される光を導波する。前記凸部は、前記光導波路により導波される光が分布する光分布領域のうち前記電極側に存在する一部の領域を収容する。前記平坦部を基準とした前記凸部の先端の高さは、前記凸部の突出方向に沿った前記光分布領域の幅よりも小さい。前記凸部の先端の幅は、前記凸部の突出方向に直交する方向に沿った前記光分布領域の幅よりも小さい。

本願の開示する光変調器の一つの態様によれば、変調効率を向上しつつ、光の伝播損失を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、本実施例に係る光変調器を含む光送信装置の構成例を示す図である。 図２は、図１に示した光変調器のＡ−Ａ線における断面図である。 図３は、凸部高さＨと、変調効率との関係を示す図である。 図４は、凸部高さＨが増大するほど、変調効率が低下する現象を説明するための図である。 図５は、凸部高さＨが減少するほど、変調効率が低下する現象を説明するための図である。 図６は、凸部幅Ｗと、変調効率との関係を示す図である。 図７は、凸部の形状と、光の伝播損失との関係を説明するための図である。

以下に、本願の開示する光変調器の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により開示技術が限定されるものではない。

図１は、本実施例に係る光変調器を含む光送信装置の構成例を示す図である。図１に示すように、本実施例に係る光送信装置１は、光ファイバ２、光変調装置１０及び光ファイバ３を有する。

光ファイバ２は、図示しない光源から発される光を光変調装置１０に入力する。

光変調装置１０は、筐体１１と、光変調器１２、接続部材１３及び接続部材１４を有する。筐体１１は、光変調器１２、接続部材１３及び接続部材１４を収容する筐体である。光変調器１２は、接続部材１３を介して光ファイバ２から入力される光を変調することによって、変調光を生成し、生成した変調光を接続部材１４を介して光ファイバ３に出力する。光変調器１２の構成の詳細は、後述される。接続部材１３は、光ファイバ２と光変調器１２とを光学的に接続する部材である。接続部材１４は、光変調器１２と光ファイバ３とを光学的に接続する部材である。

光ファイバ３は、光変調装置１０から入力される変調光を後段側へ伝送する。

次に、図２を参照して、図１に示した光変調器１２の構成の詳細を説明する。図２は、図１に示した光変調器のＡ−Ａ線における断面図である。図２に示すように、光変調器１２は、基板１２１、電極１２２及び光導波路１２３を有する。

基板１２１は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３及びＰＬＺＴのうちいずれか一つにより形成される基板である。基板１２１は、平坦部１２１ａと、平坦部１２１ａから突出する凸部１２１ｂと、平坦部１２１ａ及び凸部１２１ｂを覆うバッファ層１２１ｃとを有する。バッファ層１２１ｃは、例えば、ＳｉＯ２により形成され、光導波路１２３から電極１２２へ向かう光を遮断する。以下では、平坦部１２１ａ及びバッファ層１２１ｃを併せて「平坦部１２１ａ」と表記し、凸部１２１ｂ及びバッファ層１２１ｃを併せて「凸部１２１ｂ」と表記するものとする。

電極１２２は、凸部１２１ｂによって支持される。電極１２２には、図示しない電圧源が接続される。電圧源は、電極１２２に所定の電圧を印加する。電極１２２に電圧が印加されると、光導波路１２３によって導波される光が変調されて変調光が得られる。

光導波路１２３は、凸部１２１ｂの内部に形成される。光導波路１２３は、変調対象となる光を導波する。光導波路１２３によって導波される光は、所定の領域において分布する。光導波路１２３によって導波される光が分布する領域は、モードフィールドと呼ばれる。光のモードフィールドは、光分布領域の一例である。図２の例では、光導波路１２３によって導波される光のモードフィールドＭが示されている。

ここで、本実施例における光のモードフィールドＭと、凸部１２１ｂの形状との関係を説明する。図２において、凸部１２１ｂの突出方向がｙ軸方向に相当し、凸部１２１ｂの突出方向に直交する方向がｘ軸方向に相当するものとする。

凸部１２１ｂは、図２に示すように、光導波路１２３により導波される光のモードフィールドＭのうち電極１２２側に存在する一部の領域を収容する。言い換えると、凸部１２１ｂは、光導波路１２３により導波される光のモードフィールドＭのうち電極１２２側に存在する一部の領域のみを収容し、かつ、光のモードフィールドＭのうち該一部の領域以外の他の領域を基板１２１の内部側へ染み出させる。このような凸部１２１ｂの形状によって、凸部１２１ｂの内部に形成された光導波路１２３から凸部１２１ｂの側面へ向かう光が減少する。その結果、凸部１２１ｂの側面の表面荒れに起因した光の散乱が抑制される。

また、平坦部１２１ａを基準とした凸部１２１ｂの先端の高さ（以下「凸部高さ」という）Ｈは、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙよりも小さい。好ましくは、凸部高さＨは、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙの０．６倍よりも小さい。より好ましくは、凸部高さＨは、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙの０．６倍よりも小さく、かつ、０よりも大きい。凸部高さＨをｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙよりも小さくする理由について、以下図３〜図５を用いて説明する。

図３は、凸部高さＨと、変調効率との関係を示す図である。図３において、横軸は、凸部高さＨ［μｍ］を示し、縦軸は、光変調器１２の変調効率［ｎ．ｕ．］を示している。なお、図３に示す光変調器１２の変調効率は、凸部高さＨが３［μｍ］である場合の値を用いて規格化された値である。また、図３の説明では、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙが、７［μｍ］であるものとする。

図３に示すように、光変調器１２の変調効率は、凸部高さＨに応じて変動する。図３に示す例では、凸部高さＨが、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗの０．６倍よりも小さい３［ｍｍ］である場合に、光変調器１２の変調効率が最大となる。また、凸部高さＨが増大するほど、変調効率が低下し、凸部高さＨが減少するほど、変調効率が低下する。

図４は、凸部高さＨが増大するほど、変調効率が低下する現象を説明するための図である。図４に示すように、凸部高さＨが増大するほど、電極１２２から他の電極１２２まで延びる電気力線２００の長さが長くなる。電極１２２から他の電極１２２まで延びる電気力線２００の長さが過度に長くなると、凸部１２１ｂの内部に形成された光導波路１２３において発生する電界が弱くなる。すると、変調効率が低下する。

図５は、凸部高さＨが減少するほど、変調効率が低下する現象を説明するための図である。図５に示すように、凸部高さＨが０まで減少した場合、すなわち、凸部１２１ｂが存在しない場合には、電極１２２から他の電極１２２まで延びる電気力線３００の長さが短くなる。しかしながら、凸部１２１ｂが存在しない場合には、凸部１２１ｂの内部に形成された光導波路１２３に直交する方向の電界成分が弱くなる。すると、変調効率が低下する。

図４及び図５に示した現象を基に本発明者らが鋭意検討したところ、凸部高さＨが、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙよりも小さい場合に、変調効率が向上することが判明した。そこで、本実施例の光変調器１２では、凸部高さＨが、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙよりも小さく、かつ、０よりも大きい値に設定される。

また、凸部１２１ｂの先端の幅（以下「凸部幅」という）Ｗは、図２に示すように、ｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｘよりも小さい。凸部幅Ｗをｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｘよりも小さくする理由について、以下図６を用いて説明する。

図６は、凸部幅Ｗと、変調効率との関係を示す図である。図６において、横軸は、凸部幅Ｗ［μｍ］を示し、縦軸は、光変調器１２の変調効率［ｎ．ｕ．］を示している。なお、図６に示す光変調器１２の変調効率は、凸部幅Ｗが９［μｍ］である場合の値を用いて規格化された値である。また、図６の説明では、ｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｘが、９［μｍ］であるものとする。また、図６の説明では、凸部高さＨが、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙの０．６倍よりも小さい３［ｍｍ］であるものとする。

図６に示すように、凸部幅Ｗが、ｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗ、すなわち、９［μｍ］よりも小さい場合、変調効率が向上する。これは、凸部幅Ｗが、ｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｘよりも小さい場合、モードフィールドＭが凸部１２１ｂによって効率的に閉じ込められ、圧縮されるためであると考えられる。そこで、本実施例の光変調器１２では、凸部幅Ｗが、ｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｘよりも小さい値に設定される。

次いで、凸部１２１ｂの形状と、光の伝播損失との関係を説明する。図７は、凸部の形状と、光の伝播損失との関係を説明するための図である。図７において、横軸は、凸部高さＨ［μｍ］を示し、縦軸は、光導波路１２３における光の伝播損失［ｄＢ／ｃｍ］を示している。また、図７において、グラフ５０１は、凸部幅Ｗが７［μｍ］である場合の光の伝播損失を表すグラフである。グラフ５０２は、凸部幅Ｗが８［μｍ］である場合の光の伝播損失を表すグラフである。グラフ５０３は、凸部幅Ｗが９［μｍ］である場合の光の伝播損失を表すグラフである。図６の説明では、ｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｘが、９［μｍ］であり、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙが、７［μｍ］であるものとする。

図７に示すように、凸部高さＨがｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｙの０．６倍の値、すなわち、４．２［μｍ］よりも小さい場合、凸部幅Ｗがｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｘよりも小さい場合であっても、光の伝播損失は、抑制される。ここで、光の伝播損失は、凸部１２１ｂの内部に形成された光導波路１２３から凸部１２１ｂの側面へ向かう光が凸部１２１ｂの側面の表面荒れに起因して散乱することによって、発生する。このため、凸部幅Ｗがｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭの幅Ｗｘよりも小さい場合、凸部１２１ｂの側面の表面荒れに起因した光の散乱が促進される可能性がある。これに対して、本実施例の光変調器１２では、凸部高さＨが、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭｙの幅よりも小さく、かつ、凸部幅Ｗが、ｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭｘの幅よりも小さい。この凸部１２１ｂの形状によって、光のモードフィールドＭと凸部１２１ｂとの重合部分が減少するので、凸部１２１ｂの側面の表面荒れに起因した光の散乱が発生し難くなる。このため、本実施例の光変調器１２によれば、光の伝播損失が抑制される。

上述してきたように、本実施例の光変調器１２では、基板１２１の凸部１２１ｂが、光導波路１２３により導波される光のモードフィールドＭのうち凸部１２１ｂ上の電極１２２側に存在する一部の領域を収容する。そして、本実施例の光変調器１２では、凸部高さＨが、ｙ軸方向に沿ったモードフィールドＭｙの幅よりも小さく、かつ、凸部幅Ｗが、ｘ軸方向に沿ったモードフィールドＭｘの幅よりも小さい。このため、本実施例の光変調器１２によれば、光のモードフィールドＭのうち該一部の領域以外の他の領域を基板１２１の内部側へ染み出させることができ、かつ、凸部１２１ｂの側面の表面荒れに起因した光の散乱を抑制することができる。その結果、本実施例の光変調器１２によれば、変調効率を向上しつつ、光の伝播損失を抑制することができる。

１ 光送信装置
１０ 光変調装置
１２ 光変調器
１２１ 基板
１２１ａ 平坦部
１２１ｂ 凸部
１２１ｃ バッファ層
１２２ 電極
１２３ 光導波路

Claims (3)

1. 平坦部と、該平坦部から突出する凸部とを有する基板と、
   前記凸部によって支持される電極と、
   前記凸部の内部に形成され、前記電極に印加される電圧を用いて変調される光を導波する光導波路とを備え、
   前記凸部は、前記光導波路により導波される光が分布する光分布領域のうち前記電極側に存在する一部の領域を収容し、
   前記平坦部を基準とした前記凸部の先端の高さは、前記凸部の突出方向に沿った前記光分布領域の幅よりも小さく、
   前記凸部の先端の幅は、前記凸部の突出方向に直交する方向に沿った前記光分布領域の幅よりも小さい
   ことを特徴とする光変調器。
2. 前記凸部の先端の高さは、前記凸部の突出方向に沿った前記光分布領域の幅の０．６倍よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記基板は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３及びＰＬＺＴのうちいずれか一つにより形成される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器。

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