JP4917977B2 - モニタフォトディテクタ付き光変調器 - Google Patents

Description

本発明はモニタフォトディテクタ付き光変調器に係り、特に、モニタフォトディテクタの実装を容易にするとともに、小型で動作状態が安定なモニタフォトディテクタ付き光変調器に関する。

周知のように、光変調器においてリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）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、リチウムナイオベート基板を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。

このようなＬＮ光変調器は、最近ではさらに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、大容量光伝送システムにおけるキーデバイスとして期待されている。

［第１の従来技術］
図１２は、例えば、特許文献１に開示されている第１の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器としてのＬＮ光変調器の構成を示す斜視図である。図中、１はｚ−カットＬＮ基板、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、２ｇは出力光導波路の端部である。

また、図中、３は電気信号源、４は進行波電極の中心導体、５ａと５ｂは接地導体、６ａと６ｂは後述のように光信号がＯＦＦ状態の場合に発生する放射光、７は信号光用単一モード光ファイバ、８は放射光受光用光ファイバ、１１は、例えば、フォトダイオードからなるモニタフォトディテクタ、９はモニタフォトディテクタ１１からの後述する放射光検出信号に基づいてバイアス電源ＤＣの動作点およびＬＮ光変調器の動作点を調整するバイアスコントローラを含む放射光検出手段である。なお、説明を簡単にするために、ｚ−カットＬＮ光変調器に通常用いられるＳｉＯ_２バッファ層などやＳｉ導電層などは省略した。

図１３は、図１２に示すように構成されるＬＮ光変調器の動作原理を説明するために示す図である。図１３の（ａ）、（ｂ）は光導波路２の動作説明図であり、図１３の（ｃ）はＬＮ光変調器の側面図を示している。

図１２と図１３を用いて、ＬＮ光変調器の動作について説明する。入力光導波路２ａに入射した光は分岐光導波路２ｂにおいて２分割される。電気信号源３からの電気信号が進行波電極の中心導体４と、接地導体５ａ、５ｂに印加されない場合には、図１３の（ａ）に示すように、光は相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２を同相で伝搬する。その後、光は合波光導波路２ｄにより合波されて基本モードとして出力光導波路２ｅを伝搬し、最後に、光は信号光用単一モード光ファイバ７に出射される。これをＯＮ状態と呼ぶ。なお、合波光導波路２ｄが出力光導波路２ｆと接合している箇所を合波点２ｈと呼ぶ。

一方、電気信号源３からの電気信号が進行波電極の中心導体４と、接地導体５ａ、５ｂに印加された場合には、図１３の（ｂ）に示すように、光は相互作用光導波路２ｃ−１、２ｃ−２を逆位相で伝搬する。その後、光は合波光導波路２ｄにより合波されて１次の高次モード光が形成される。通常、この１次の高次モード光がカットオフとなるように、出力光導波路２ｅが設計されている。

従って、この１次の高次モード光は出力光導波路２ｅを伝搬できないために、放射光６ａ、６ｂとして基板の水平方向に０．７度、図１３の（ｃ）に示すように、深さ方向に０．９度という小さな角度をもって合波点２ｈから基板内に放射され、基板内を広がりながら伝搬する。これをＯＦＦ状態と呼ぶ。

図１４に示す電圧−光出力特性において、図示実線の曲線はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖｂはその際のＤＣバイアス電圧である。

この図１４に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。

一方、温度変動など何らかの原因により図１４の破線のように電圧−光出力特性が変化した場合には、バイアス点をＶｂ´のように設定変更する必要がある。

この第１の従来技術では、この放射光を放射光受光用光ファイバ８で受光・伝搬した後、例えば、フォトダイオードからなるモニタフォトディテクタ１１に入射させることにより電流に変換している。バイアスコントローラを含む放射光検出手段９は、この電流の大きさにより電圧−光出力特性の変化を検知し、バイアスＤＣ電源によるＤＣバイアス電圧の最適バイアス点を見出している。

しかしながら、以上のように構成したＬＮ光変調器においても以下のような問題点がある。放射光は、実際には図１３の（ｂ）、（ｃ）に示すように、基板の水平方向に０．７度、深さ方向に０．９度の小さな角度をもって合波点２ｈから基板内の下方に出射されるので、放射光受光用光ファイバ８は信号光用単一モード光ファイバ７に非常に近く、また信号光用単一モード光ファイバ７よりもほんの僅かだけ低い位置に配置する必要がある。

ここで、図１５は、信号光用単一モード光ファイバ７側から見た光信号のＯＦＦ状態の様子を示している。図１３の（ｂ）において、例えば、出力光導波路２ｅの光軸方向の長さを４ｍｍとすると、前述のように放射光の水平方向の伝搬角度はわずか０．７度であるから、信号光用単一モード光ファイバ７と放射光６ａあるいは放射光６ｂとの間隔は約５０μｍと極めて狭い。また、放射光６ａあるいは放射光６ｂのパワーの中心はｚ−カットＬＮ基板１の上側の表面から深さＨの位置に来るが、放射光の垂直方向の伝搬角度は０．９度であるから、Ｈの値は６３μｍ程度である。このように、信号光と放射光６ａあるいは放射光６ｂの中心との距離は小さいので、信号光用単一モード光ファイバ７と放射光受光用光ファイバ８とを実装することは非常に難しい。

この実装の難しさについて図１６を用いて説明する（例えば、特許文献１の図９参照）。図中、７ａは信号光用単一モード光ファイバのコア、８ａは放射光受光用光ファイバのコア、１０ａはキャピラリー（誘電体からなるキャピラリーで、一般的にはガラス材が知られているが、セラミックなどその他の材料でも良い）を示している。

そして、キャピラリー１０ａに信号光用単一モード光ファイバ７用とは別に穴を開けて、放射光受光用光ファイバ８をその穴に固定している。こうして、信号光用単一モード光ファイバ７のコア７ａには信号光が結合するように、放射光受光用光ファイバ８のコア８ａには放射光６ｂ（あるいは、６ａ）が結合するように、それぞれの位置関係を調整して固定する。

以上説明したように、第１の従来技術によるモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器では、信号光と放射光の間の距離が５０μｍ程度と極めて小さいため、信号光用単一モード光ファイバ７のコア７ａには信号光を結合させ、かつ放射光受光用光ファイバ８のコア８ａには放射光を結合させるという実装が必要となり、その実装は極めて困難であるため、実装が容易な構造のＬＮ光変調器の開発が望まれている。

通常、この実装の困難さを回避するためには、信号光と放射光との間の距離を広げることが考えられる。

ところで、信号光と放射光との間の距離を広げる考えとは別に、放射光を信号光に干渉させることで、干渉パターンを信号光から遠方に形成する発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、放射光と信号光が干渉するということは、つまり信号光が減衰することを意味しており、その結果、信号光の損失増加につながるか、あるいはあくまで干渉であるので信号光が影響できる範囲にのみ、つまり信号光に比較的近い領域にしか干渉パターンを形成することができないという問題点があり、上記課題の解決には至っていないというのが実情である。

以上のように、キャピラリー１０ａに信号光用単一モード光ファイバ７と放射光受光用光ファイバ８の両方を実装することは極めて困難なことである。そこで、放射光受光用光ファイバ８を用いる代わりに、キャピラリー１０ａを通過した後の放射光をモニタフォトダイオード等のモニタフォトディテクタ１１で受光する場合を考える。

この場合、ｚ−カットＬＮ基板１とキャピラリー１０ａの屈折率を各々２．１４と１．４５とすると、放射光はキャピラリー１０ａの中を±０．７°×２．１４／１．４５＝±１．０°の屈折角度で伝搬するので、放射光はキャピラリー１０ａの中に固定した信号光用単一モード光ファイバ７の極めて近くを伝搬するため、モニタフォトディテクタ１１を実装することは事実上困難である。

［第２の従来技術］
図１７は、これらの問題を解決する構造として、第２の従来技術によるモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器を示している。この第２の従来技術によるＬＮ光変調器では、ｚ−カットＬＮ基板１を伝搬して来た放射光６ａ、６ｂをさらに後端が傾斜されているキャピラリー１０ｂの中を放射光６ｃ、６ｄとして伝搬させる。

ここで、キャピラリー１０ｂの後端傾斜面に、予め、誘電体多層膜１４を堆積しておくことにより、光を全反射させて外部に出し、それをモニタフォトディテクタ１１を用いて受光し、電流に変換する。

ところが、この第２の従来技術によるＬＮ光変調器には重要な問題点がある。以下、この問題点について考察する。まず、放射光６ａ、６ｂが基板端面１ａを通過した後、モニタフォトディテクタ等のモニタフォトディテクタ１１に達するまでの光路長について考える。

放射光６ｃの場合には、基板端面１ａを通過後にキャピラリー１０ｂの中をＬ_１の距離を伝搬した後、キャピラリー１０ａの後端傾斜面の誘電体多層膜１４において反射され、さらにキャピラリー１０ａの中を上方にＬ_２の距離を伝搬する。その後、空気中をＬ_３の距離を伝搬し、モニタフォトディテクタに達する。キャピラリー１０ａの屈折率をｎ_ｃとすると、放射光６ｃの光学的な全光路長Ｌ_６ｃはＬ_６ｃ＝ｎ_ｃＬ_１＋ｎ_ｃＬ_２＋Ｌ_３となる。

一方、放射光６ｄの場合には、基板端面１ａを通過後にキャピラリー１０ｂの中をＬ４の距離を伝搬した後、キャピラリー１０ａの後端傾斜面の誘電体多層膜１４において反射され、さらにキャピラリー１０ａの中を上方にＬ５の距離を伝搬する。その後、空気中をＬ_６の距離を伝搬し、フォトダイオード等のモニタフォトディテクタ１１に達する。放射光６ｄの光学的な全光路長Ｌ_６ｄはＬ_６ｄ＝ｎ_ｃＬ_４＋ｎ_ｃＬ_５＋Ｌ_６となる。

一方、放射光６ａ、６ｂはキャピラリー１０ａの中を互いに異なった角度±１．０°で伝搬し、キャピラリー１０ａの後端傾斜面の誘電体多層膜１４において上方に反射された後、モニタフォトディテクタ１１へ入射するときに、放射光６ｃ、６ｄは図１８に示すように、互いに重なり合い、干渉する。図１８において、６ｉは放射光６ｃと６ｄとの重なり部（干渉部）である。

ここで、放射光６ｃ、６ｄの位相が約１８０度異なっている様子を図１９に示す。放射光６ｃと６ｄの位相が互いに１８０度異なっている場合には、図２０の（ａ）に示すようにそれらの重なり部にはそのパワーが零となる箇所がある。

ところが、キャピラリー１０ａの屈折率ｎ_ｃは温度により変化するので、放射光６ｃ、６ｄがモニタフォトディテクタ１１に入射する際の両光路長Ｌ_６ｃとＬ_６ｄは温度により変化することになる。その結果、放射光６ｃ、６ｄの位相差は１８０度とは異なってくる。そのため、放射光６ｃ、６ｄを重ねた結果、図２０の（ｂ）に示すように、放射光６ｃと６ｄの重なり部６ｉはどの箇所においても零とはならないことになる。

換言すると、図１８から図２０に示した放射光６ｃと６ｄの重なり部６ｉの光の強度が温度とともに変化してしまい、ＬＮ光変調器のＤＣバイアスコントロールに支障が生じることになる。

また、図１６に示した第１の従来技術におけるキャピラリー１０ａの場合と同様に、この第２の従来技術においてもキャピラリー１０ｂには信号光用単一モード光ファイバ７を実装する必要がある。また、いずれのキャピラリー１０ａ、１０ｂでも信号光用単一モード光ファイバ７の実装を容易にするために、キャピラリー１０ａと１０ｂの後端に信号光用単一モード光ファイバ７の外形よりも大きなガイド用のザグリを入れておくことが望ましい。

しかるに、いずれのキャピラリー１０ａ、１０ｂでもその中の信号光用単一モード光ファイバ７の近傍を放射光が伝搬するために、キャピラリー１０ａと１０ｂの後端にそのようなガイド用のこのザグリを設けることはできない。

［第３の従来技術］
図２１は、これらの問題を解決する構造として、第３の従来技術によるモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器を示している。この第３の従来技術によるＬＮ光変調器では、放射光６ｃのみをモニタフォトディテクタ１１により受光するために、キャピラリー１０ｃを図２１に示すように加工し、放射光６ｄがモニタフォトディテクタ１１には入射しないように工夫している。なお、キャピラリー１０ｃを半分切り欠くことにより信号光用単一モード光ファイバ７の実装のガイドをすることが可能となる。

しかしながら、この第３の従来技術によるＬＮ光変調器の構造では、キャピラリー１０ｃを複雑な構造に加工する必要があるとともに、図１７に示した第２の従来技術によるＬＮ光変調器のキャピラリー１０ｂと同じく、キャピラリー１０ｃの後端傾斜面に光を全反射させるための誘電体多層膜１５などを堆積する必要があり、光変調器全体としての製作のコストがますます高くなってしまうという問題がある。

［第４の従来技術］
図２２に特許文献４に開示された第４の従来技術のモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器についてその斜視図を示す。ここで、５０はｚ−カットＬＮ基板、５１は光導波路、５１Ａは入力光導波路、５１Ｂは多モード干渉光導波路（ＭＭＩ）からなる入力用３−ｄＢカプラ、５１Ｃ、５１Ｄは相互作用光導波路、５１Ｅは多モード干渉光導波路（ＭＭＩ）からなる出力用３−ｄＢカプラ、５１Ｆは信号光出力用光導波路、５１Ｇはモニタ光出力用光導波路、５３は反射溝、５２は進行波電極、５２Ａは中心導体、５２Ｂは接地導体、５２Ｃはパッド、５４はモニタフォトディテクタ、５５はブロック材である。５６はモニタ光出力用光導波路５１Ｇを出射後、反射溝５３により反射された後、モニタフォトディテクタ５４へ向かうモニタ光である。

この第４の従来技術における出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅ付近や反射溝５３を含む拡大図を図２３に示す。但し、紙面の関係上、長手方向を大幅に縮小している。この図からわかるように、モニタ光出力用光導波路５１Ｇから出射された光が反射溝５３により反射され、モニタフォトディテクタ１１に向かうモニタ光５６として伝搬している。

ところが、この第４の従来技術には大きな問題がある。つまり、モニタ光出力用光導波路５１Ｇを使用しているために、必然的に３−ｄＢカプラを用いることになる。この３−ｄＢカプラとしては方向性結合器型３−ｄＢカプラと、方向性結合器における２本の光導波路のギャップがゼロとなったゼロギャップ方向性結合器、即ちＭＭＩ型３−ｄＢカプラがある。この第４の従来技術においてはＭＭＩ型の出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅを用いている。

さて、この出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅの長さＬ_ＭＭＩが設計値からずれると、挿入損失が増大する、あるいは信号のＯＮ／ＯＦＦ比（消光比）が充分に確保できないという深刻な事態を生じる。そして図２３に示している出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅの長さＬ_ＭＭＩの理想値は出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅの幅Ｗ_ＭＭＩにより規定される。

図２４には出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅの幅Ｗ_ＭＭＩを変数とした場合における出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅの長さＬ_ＭＭＩの設計値（理想値）を示す。図からわかるように、長さＬ_ＭＭＩは幅Ｗ_ＭＭＩの２乗に比例する。従って、フォトリソグラフィーでの露光条件や現像条件のわずかなばらつきにより幅Ｗ_ＭＭＩが設計値からずれ、その結果３−ｄＢカプラとなる条件から長さＬ_ＭＭＩがはずれてしまう。そして、こうした事態が生じると前述のように、挿入損失と信号のＯＮ／ＯＦＦ比の観点からｚ−カットＬＮ光変調器としての特性が著しく劣化する。出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅを作る際の幅Ｗ_ＭＭＩの精度として１μｍ程度の高い製作精度が要求されるので、製作のトレランスが厳しい構造と言える。

出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅが波長依存性の特性を持つ点も問題である。図２５はｚ−カットＬＮ光変調器を動作させる波長に対する挿入損失のグラフである。このように、ある波長（例えば１．５５μｍ）において挿入損失が最小となるように設計すると、他の波長では挿入損失が増加（同時にＯＮ／ＯＦＦ比が劣化）してしまう。そのため、フルＣバンド、あるいはフルＬバンドなどと極めて広い波長範囲で使用する波長多重（ＤＷＤＭ）伝送方式には図２３に示した第４の従来技術を適用することは不利となる。

［第５の従来技術］
図２６には同じく、特許文献４に開示された第５の従来技術によるモニタフォトディテクタ付きＬＮ光変調器を示す。この第５の従来技術では図２２に示した第４の従来技術における入力用３−ｄＢカプラ５１Ｂと出力用３−ｄＢカプラ５１Ｅの代わりにＹ分岐型の分波器と合波器を使用している。なお、入力側については入力用Ｙ分岐、あるいは入力用Ｙ分岐光導波路、また出力側については出力用Ｙ分岐、あるいは出力用Ｙ分岐光導波路とも言う。ここで、５１Ｈは入力光導波路であり、５１Ｂ´は入力用Ｙ分岐の分岐点、５１Ｉは出力光導波路である。５６´は出力用Ｙ分岐の合波点５１Ｅ´から放射された放射光であり、反射溝５３により反射されてモニタ光５６´´としてモニタフォトディテクタ５４に向かって伝搬している。このようにＭＭＩからなる３−ｄＢカプラの代わりにＹ分岐型の光導波路を使用することにより、図２４と図２５において説明した第４の従来技術が持つ問題点は解消できたが、この第５の従来技術には実用上極めて大きな問題点がある。

図から明らかにわかるように、反射溝５３は出力用Ｙ分岐の合波点５１Ｅ´から距離的に離れ、光が出力される側の端面（光出力側端面）５８の近傍に形成されている。さらに、挿入損失の観点から出力光導波路５１Ｉに影響を及ぼさない距離に形成する必要がある反射溝５３が、出力光導波路５１Ｉとモニタフォトディテクタ５４の間に設けられている。放射光５６´は水平方向にわずか約０．７度しか広がっていないことを考えると、このことも反射溝５３が出力用Ｙ分岐の合波点５１Ｅ´から距離的に離れて光出力側端面５８の近傍に形成されていることを示唆している。

そして図２７には出力用Ｙ分岐の合波点５１Ｅ´からの距離に対する放射光５６´のパワーの中心が存在する深さ（図１５のＨ）を示している。第１の従来技術において説明したように、放射光が不図示の信号光用単一モード光ファイバ（図１２の７を参照）に入射して信号光のＯＮ／ＯＦＦ比が劣化するのを防ぐためには、出力光導波路５１Ｉの長さとして最低２〜３ｍｍ、望ましくは４ｍｍ程度必要である。出力光導波路５１Ｉがこの程度の長さを有すると、反射溝５３は光出力側端面５８の近傍に形成されているので、ｚ−カットＬＮ基板５０の深さ方向に０．９度の傾きで伝搬することを考えると、図２７からわかるように放射光５６´のパワーの中心は出力光導波路５１Ｉの長さが２〜３ｍｍの場合でも３０〜４０μｍもの深さにあり、出力光導波路５１Ｉの長さが４ｍｍの場合には、６３μｍもの深さにある。

このことから、この第５の従来技術の問題点を直ちに理解することができる。つまり、モニタ光５６´´を効率よくモニタフォトディテクタ１１に入射させるためには、数十ミクロンの深さの反射溝５３を形成する必要がある。そして通常のドライエッチング装置のエッチング速度は装置に依存はするものの、通常１０ｎｍ／分から０．１μｍ／分程度であり、数十ミクロンもの深い反射溝を形成することは極めて困難である。また、反射溝をドライエッチングではなくダイサーで形成しようとしてもダイサーの歯の直径は数センチメートルもあるので、出力光導波路を傷つけることなく反射溝を形成することは不可能である。

しかも、この第５の従来技術では反射溝５３の反射面は曲率として凸の曲面形状であることを規定しており、このことがモニタフォトディテクタ５４によりモニタ光５６´´の受光をさらに困難にする。つまり、基板を数ミリも伝搬した放射光５６´は大変広がっており、その上曲率が凸の曲面の反射面で反射させると放射光５６´はモニタフォトディテクタ５４の受光面よりも広くなり効率が極めて劣化してしまう。
特開平３−１４５６２３号公報 特開平１０−２２８００６号公報 特開２００１−２８１５０７号公報 特開２００５−３４５５５４号公報

以上のように、ＬＮ光変調器のＤＣバイアスを制御するために各種のモニタフォトディテクタ付き光変調器が提案された。しかしながら、第１の従来技術では信号光用単一モード光ファイバとが距離的に極めて近いために放射光受光用光ファイバの実装が困難であった。また第２の従来技術ではＬＮ光変調器を使用する際の環境温度が変化すると、モニタフォトディテクタに入射する放射光の強度が変化するためにＤＣバイアスコントロールに問題が生じた。そして、第３の従来技術では信号光用単一モード光ファイバを実装し、かつモニタフォトディテクタに放射光を送るためのキャピラリーの形状が複雑であり、ＬＮ光変調器のコストアップの一因となっていた。第４の従来技術では出力用３−ｄＢカプラの特性のために製作のトレランスが厳しい、あるいは挿入損失や信号のＯＮ／ＯＦＦ比（消光比）に波長依存性が生じるとという問題があった。さらに、第５の従来技術では放射光を反射させることによりモニタ光としてモニタフォトディテクタに伝搬させる反射溝がＬＮ光変調器における光の出力側端面付近に形成されていた。そのため、反射溝を何十ミクロンと深くエッチングする必要があり、ドライエッチング装置を使用してその形成することは難航を極めていた。また、例えダイサーを使用しても、信号光を出力する出力光導波路を傷つけることなく反射溝を形成することは不可能であった。

そこで、本発明は、以上のような従来技術による問題点を解消して、モニタフォトディテクタの実装を容易にするともに、小型で動作状態が安定なモニタフォトディテクタ付き光変調器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、電気光学効果を有し、対向するおもて面と裏面とを持つ基板（１）と、前記基板の前記おもて面側に、光を導波するための光導波路（２）と前記光を変調するための電圧を印加する中心導体（４）及び接地導体（５ａ、５ｂ）とを具備し、前記光導波路は、少なくとも前記光を入射するための入力光導波路（２ａ）と、前記入力光導波路に入射した光を分岐する分岐光導波路（２ｂ）と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路（２ｃ−１、２ｃ−２）と、前記相互作用光導波路を伝搬した前記光を合波する合波光導波路（２ｄ）と、該合波光導波路の合波点（２ｈ）を介して前記合波光導波路に接続されている出力光導波路（２ｆ）とを有しており、位相変調された光が前記合波光導波路において合波されて生成される高次モードが前記出力光導波路をほとんど伝搬せずに前記基板内に前記合波点から放射光（３０ａ、３０ｂ）として放射される光変調器と、前記光変調器の前記基板内に前記合波点から放射される前記放射光を検出し、前記基板の前記裏面以外の位置にあるモニタフォトディテクタ（１１）とを具備するモニタフォトディテクタ付き光変調器において、前記放射光（３０ｂ）を反射することにより、前記放射光を前記モニタフォトディテクタに向かって伝搬するモニタ光（３０ｃ）に変換する反射溝（２０）を備え、該反射溝は前記出力光導波路に対して前記モニタフォトディテクタを設置する側と反対側の前記基板の前記おもて面に形成されており、前記モニタ光が前記出力光導波路の下方で前記出力光導波路をクロスして伝搬することを特徴とするモニタフォトディテクタ付き光変調器。

本発明の請求項２のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、前記合波点がＹ分岐光導波路に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項３のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、前記光導波路がマッハツェンダ型光導波路であることを特徴とする。

本発明の請求項４のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、前記モニタフォトディテクタを前記基板の長手方向の側面方向か、前記基板の後端方向の少なくとも一つに具備することを特徴とする。

本発明の請求項５のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、前記モニタフォトディテクタを前記基板に対して空間を介して具備していることを特徴とする。

本発明の請求項６のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、前記光導波路は並列に構成された２個以上のマッハツェンダ型光導波路からなることを特徴とする。

本発明の請求項７のモニタフォトディテクタ付き光変調器は、前記基板が半導体からなることを特徴とする。

本発明では、合波点から出射される放射光を反射し、モニタ光としてモニタフォトディテクタに伝搬させることのできる反射溝をＬＮ光変調器が具備する出力用Ｙ分岐光導波路の合波点の近傍に形成する。そして、反射溝により放射光から変換されたモニタ光は信号光が伝搬する出力光導波路の下をクロスしてモニタフォトディテクタに向かう。本発明では、反射溝は出力用Ｙ分岐光導波路の合波点の近傍に形成するので、反射溝を形成するために深くエッチングしなくても良く、製作性が飛躍的に改善されるという利点がある。また、放射光が大きく広がる前に反射するので効率良くモニタ光を生成することが可能となるという利点もある。

以下、本発明によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の実施形態について説明するが、図１２から図２７に示した第１から第５の従来技術と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同じ番号を持つ機能部の説明を省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の第１の実施形態として適用されるＬＮ光変調器の構成を示す斜視図である。また、図２は図１の放射光３０ａ、３０ｂが発生する領域の詳しい上面図である。つまり、図１と図２は光信号がＯＦＦの状態を説明している。但し、説明をわかりやすくするために、図１と図２においては放射光３０ａを省略した。また、紙面の関係上、長手方向を大幅に縮小している。また、図１では図１３に示した第１の従来技術よりもＹ分岐光導波路について詳しく描いている。つまり、入力用Ｙ分岐光導波路を含め、実際のＹ分岐光導波路には図２のように光導波路の幅が広くなっている遷移領域２ｉがある。この遷移領域２ｉの長さＬ_Ｙは通常１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。

本発明の大きな特徴として、反射溝２０を第５の従来技術のような出力用Ｙ分岐光導波路の合波点２ｈ（図２６では５１Ｅ´）から大きく離れた場所ではなく、出力用Ｙ分岐光導波路の合波点２ｈの近傍に設けている。そして、出力光導波路２ｅに対して、モニタフォトディテクタ１１を設置している側とは反対の側の基板表面に反射溝２０を形成し、いわばモニタフォトディテクタ１１と反射溝２０で出力光導波路２ｅを挟んだ配置としている。

この第１の実施形態についてその動作を説明する。光信号がＯＦＦ時には出力用Ｙ分岐光導波路の合波点２ｈから放射光３０ｂが発生する（前述のように、実際には放射光３０ａも発生するが図２ではこれを省略した）。この放射光３０ｂは反射溝２０により反射され、モニタ光３０ｃとして出力用光導波路２ｅ（及び、放射光３０ａ）の下方をクロスして伝搬し、モニタフォトディテクタ１１がある側の基板側面４０へ向かう。そして基板側面４０から出射された後に、モニタフォトディテクタ１１に入射する。図２に示す放射光３０ｂとモニタ光３０ｃの中の実線は各々のパワーの中心が描く軌跡を表す。また、光のパワーは実際には広がっており、破線がその広がりを示している。なお、モニタ光３０ｃと放射光３０ａは進行方向がほぼ９０度異なっているので、例えモニタ光３０ｃと放射光３０ａが同じ位置で交差してもお互いに影響を及ぼすことはない。

図２に示すように放射光３０ｂのパワーの中心は出力光導波路２ｅに対して水平方向に角度０．７度で伝搬する。次に、図３でこの点を詳しく議論する。放射光３０ｂが距離Ｌ_ｐｒｏｐ伝搬した際に出力光導波路２ｅから距離Ｘ_Ｒ離れる。図２に示したように、放射光３０ｂは実際には広がりを持つので、反射溝２０を出力光導波路２ｅから少なくとも距離Ｘ_Ｒの位置に形成しておけば、充分なモニタ光３０ｃを得ることができる。なお、反射溝２０が出力光導波路２ｅを伝搬する光に影響を及ぼさないようにするには距離Ｘ_Ｒとして１μｍ以上、できれば約２μｍを確保したい。

なお、ここで図中のＷ_Ｇは反射溝２０の幅であり、フォトリソグラフィーとドライエッチ時のマスクの後退を考えると４μｍ程度は必要である。このために、反射溝２０を出力光導波路２ｅとモニタフォトディテクタ１１の間のｚ−カットＬＮ基板１に形成することは困難である。

図４は図３のＡ−Ａ´における深さ方向の断面図であり、放射光３０ｂの深さ方向における振る舞いを説明している。図４に示すように放射光３０ｂのパワーの中心は０．９度の傾きでｚ−カットＬＮ基板１の下方に向かって伝搬する。ここで、図３と同じように考え、放射光３０ｂが距離Ｌ_ｐｒｏｐ伝搬した際に出力光導波路２ｅから深さ方向に距離Ｙ_Ｒ離れるとする。

図５には放射光３０ｂが伝搬した距離Ｌ_ｐｒｏｐに対する距離Ｘ_Ｒと距離Ｙ_Ｒの値を示す。図からわかるように、距離Ｘ_Ｒを２μｍとすると、それに対応する距離Ｙ_Ｒは２．６μｍとなる（これは、２μｍ×０．９度／０．７度としても容易に求まる）。なお、この時の伝搬距離Ｌ_ｐｒｏｐは約１６０μｍと求まる。つまり、本発明では出力用Ｙ分岐光導波路の合波点２ｈから１６０μｍ程度の距離に反射溝２０を形成すれば良い。

なお、この約１６０μｍという値はあくまで一例でありＸ_Ｒをもっと小さくすれば伝搬距離Ｌ_ｐｒｏｐをより短くしても良いし、逆に距離Ｘ_Ｒをやや大きくすれば、伝搬距離Ｌ_ｐｒｏｐはやや長くなる。但し、本発明においては第５の従来技術のようにｚ−カットＬＮ光変調器の光出力側端面の近くに反射溝２０を形成することはない。

前述のように出力用Ｙ分岐光導波路の遷移領域２ｉの長さＬ_Ｙは通常１ｍｍ〜２ｍｍ程度であり、また出力光導波路２ｅの長さは最低でも２〜３ｍｍ、望ましくは４ｍｍ程度である。従って、光出力側端面の近傍に反射溝（図２６の５３）を形成する従来の第５の従来技術とは異なり、本発明では出力用Ｙ分岐光導波路の合波点２ｈのいかに近傍に反射溝２０を形成しているかがわかる。

図６には図３に示した上面図のＢ−Ｂ´での深さ方向における断面図を示す。ここで１はｚ−カットＬＮ基板、６１と６２は図３には不図示ではあるがｚ−カットＬＮ基板１を用いたＬＮ光変調器に通常使用されているＳｉＯ_２バッファ層とＳｉ導電層を各々表している。また、同様に図３には示していないが、実際にはＡｕを反射ミラー６３として用いることにより、放射光３０ｂをほぼ１００％の高い効率でモニタ光３０ｃに変換している。

通常、反射溝２０はドライエッチングなどのプロセス技術により形成する。従って、図６において反射溝２０の壁２０ａの角度Θは９０度ではなく６０度〜７５度程度と傾斜する。ここで注意すべきは反射溝２０の壁２０ａの角度Θがあまりに小さくなるとモニタ光３０ｃは大きな角度で下方に向かい、特開平４−２４６１０号公報に開示されているように、図２のモニタフォトディテクタ１１をｚ−カットＬＮ基板１の直下にある不図示のパッケージ筐体の台座（以下、筐体台座）に設置する必要が生じる。ところが、モニタフォトディテクタ１１は配線基板も含めるとその寸法は実際には３ｍｍ×４ｍｍ×５ｍｍ程度と大きく、寸法的に制約のある筐体台座への設置は困難である。また筐体台座は通常金属製なので配線がショートし易い、あるいはＬＮ光変調器チップを固定する前にモニタフォトディテクタを設置しておかねばならず、その後のファイバ固定などに失敗すればモニタフォトディテクタも廃棄せねばならなくなり、コスト的にも問題が生じる、など特開平４−２４６１０の構造は実用には適さないと言える。

一方、本発明ではモニタ光３０ｃをｚ−カットＬＮ基板１の側面４０から取り出すので、ファイバ固定に成功したモジュールのみにモニタフォトディテクタ１１を後から設置すればよく、モニタフォトディテクタ１１の設置が容易であるばかりでなく、コスト的に極めて有利である。なお、反射溝２０の壁２０ａの角度Θは９０度でも良いし、９０度を越えても良い。また、例え反射溝２０の形とその壁２１の形や角度Θの与え方によって、モニタ光３０ｃが不図示の筐体台座に当っても、最終的にｚ−カットＬＮ基板１の側面４０から取り出される限り、その構造は本発明に属する。

図７には高性能ＬＮ光変調器として特開平４−２８８５１８号公報に開示されたリッジ構造を有するＬＮ光変調器の相互作用部における断面図の一例を示す。ここで４は中心導体、５ａと５ｂは接地導体、２ｃ−１と２ｃ−２は相互作用光導波路、６１はＳｉＯ_２バッファ層、６２はＳｉ導電層である。このようにリッジ構造ではｚ−カットＬＮ基板１の表面付近をドライエッチングなどにより凹凸、即ちリッジを形成する。本発明では、この相互作用部にリッジを形成する過程において反射溝２０を同時に形成することができるので、本発明は従来のＬＮ光変調器の製造工程との整合性が極めて良いと言える。

なお、図１から図４に示した反射溝２０の形としては各種の形が考えられる。図８では、放射光３０ｂをモニタ光３０ｃに変換する反射溝２０の反射面４１は平面である。また、図９では、放射光３０ｂをモニタ光３０ｄに変換する反射溝２１の反射面４２は凸の曲面である。本発明では図２６に示した第５の従来技術と異なり、合波点２ｈの近傍に反射溝２１を形成するので、反射面４２が凸の曲面であってもモニタ光３０ｄが広がり過ぎることはない。一方、図１０では、放射光３０ｂをモニタ光３０ｅに変換する反射溝２２の反射面４３は凹の曲面である。なお、反射溝と反射面の形状はこれらに限らず、例えば反射溝は三角形でも良いし、反射面はより複雑な形状でも良い。これらのことは本発明の全ての実施形態に適用可能である。

また、図１ではｚ−カットＬＮ基板１の側面４０、もしくはさらに空間を介してモニタフォトディテクタ１１を設置すると想定して説明しているが、放射光３０ｂの反射溝２０への水平方向における入射角度を調整することにより、モニタ光をｚ−カットＬＮ基板１の後端側（つまり、光を出射する端面側）に出射し、その方向にモニタフォトディテクタ１１を設置しても良い。また、出力光導波路２ｅを出力用Ｙ分岐光導波路の合波点２ｈからモニタフォトディテクタ１１がある基板側面４０の方に少し曲げておけば反射溝２０をより放射光３０ｂに近づけることができるので、さらに効率よく放射光３０ｂをモニタ光３０ｃに変換することが可能となる。このことは本発明の全ての実施形態について言える。なお、モニタフォトディテクタ１１はｚ−カットＬＮ基板１と同じ高さに配置しても良いが、より高い位置、あるいはより低い位置に配置しても良いことは言うまでもない。

［第２の実施形態］
図１１は本発明によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の第２の実施形態として適用されるＬＮ光変調器の上面図を模式的に示した図である。このタイプのＬＮ光変調器はＤＱＰＳＫなどの次世代の伝送方式に使用される。ここで、７０は入力光導波路、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄは相互作用光導波路、７２ａ、７２ｂは進行波電極の中心導体、７３ａ、７３ｂ、７３ｃは進行波電極の接地導体、７４ａ、７４ｂはＹ分岐光導波路の合波点、７５ａ、７５ｂは反射溝、７６ａ、７６ｂはモニタ光、７７ａ、７７ｂはモニタフォトディテクタ、７８は出力光導波路である。

この図からわかるように、２つの合波点７４ａ、７４ｂから放射される不図示の放射光を２つの反射溝７５ａ、７５ｂがモニタ光７６ａ、７６ｂに変換し、２つのモニタフォトディテクタ７７ａ、７７ｂにより受光し、ＤＣバイアスコントロールを行う。なお、第１の実施形態において説明したのと同じく、２つの合波点７４ａ、７４ｂから光の出射側の端面に向かって２本の光導波路を互いに部分的に広がりぎみにしておけば、反射溝７５ａ、７５ｂをより不図示の放射光に近づけることができるので、さらに高い効率で放射光をモニタ光に変換することができる。

［各実施形態］
以上の説明においては、ＬＮ基板としてｚ−カットＬＮ基板である場合について説明したが、ｘ−カット基板あるいはｙ−カットＬＮ基板など各種基板を用いても良い。

さらに、以上の説明においては、電極として非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）やコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）型の進行波電極を想定したが、その他の構造の進行波電極でも良いし、もちろん集中定数型電極でも良い。

また、以上の説明においては、基板としてＬＮ基板を想定したが、リチウムタンタレートなどその他の誘電体基板、さらには半導体基板でも良い。

以上のように、本発明にかかるモニタフォトディテクタ付き光変調器は、反射溝を出力用Ｙ分岐光導波路の合波点の近傍に形成するので、反射溝を形成するために深くエッチングしなくても良く、製作性が飛躍的に改善されるという利点があり、また、放射光が大きく広がる前に反射するので効率良くモニタ光を生成することが可能となるという利点を有し、モニタフォトディテクタの実装が容易であり、小型で動作状態が安定なモニタフォトディテクタ付き光変調器として有用である。

本発明によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の第１の実施形態として適用されるＬＮ光変調器の構成を示す斜視図 図１の部分的な上面図 図１の拡大図 図３のＡ−Ａ´における深さ方向の断面図 放射光の伝搬距離に対する放射光のパワーの中心の位置 図３のＡ−Ａ´における断面図であり、反射溝２０の構造を説明するための図 リッジ構造を有するＬＮ光変調器の相互作用部の断面図 反射面が平面である反射溝の説明図 反射面が凸の曲面である反射溝の説明図 反射面が凹の曲面である反射溝の説明図 本発明によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の第２の実施形態として適用されるＬＮ光変調器の要部の構成を示す上面図 特許文献１に開示されている第１の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の構成を示す上面図 図１２に示すように構成される光変調器の動作原理を説明するために示す図 図１２に示すように構成される光変調器の動作原理を説明するために示すＤＣバイアス電圧−光出力特性曲線図 信号光用単一モード光ファイバ７側から見た光信号のＯＦＦ状態の様子を示す図 信号光用単一モード光ファイバ７と放射光受光用光ファイバ８とを実装することが非常に難しいことを説明するために示す図 第１の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の問題を解決する構造として、第２の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の要部の構成を示す上面図 放射光６ａ、６ｂがモニタフォトダイオード等のモニタフォトディテクタ１１へ入射するときに、互いに、干渉することを説明するために示す図 放射光６ｃ、６ｄの位相が約１８０度異なっている様子を説明するために示す図 放射光６ｃと６ｄの位相が互いに１８０度異なっている場合に、それらの重なり部にはそのパワーが零となる箇所があること、温度変化の結果、放射光６ｃ、６ｄの位相差は１８０度とは異なってくるため、放射光６ｃと６ｄの重なり部はどの箇所においても零とはならないことを説明するために示す図 第２の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の問題を解決する構造として、第３の従来技術によるＬＮ光変調器の要部の構成を示す上面図 第４の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の要部の構成を示す斜視図 第４の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の部分的な拡大図 第４の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器に使用される３−ｄＢカプラの幅Ｗ_ＭＭＩと理想的Ｌ_ＭＭＩな長さとの関係を表す図 第４の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器において使用波長と挿入損失との関係を表す図 第５の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の要部の構成を示す斜視図 第５の従来技術によるモニタフォトディテクタ付き光変調器の合波点から反射溝までの距離に対する放射光のパワー中心との関係を表す図

符号の説明

１、５０：ｚ−カットＬＮ基板
１ａ：基板端面
２：マッハツェンダ型の光導波路
２ａ ５１Ｉ：出力光導波路
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、２ｆ：出力光導波路
２ｇ：出力光導波路の端部
２ｈ、５１Ｅ´：合波光導波路の合波点
２ｉ：Ｙ分岐型の分岐光導波路の遷移領域
３：電気信号源
４：進行波電極の中心導体
５ａ、５ｂ：接地導体
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ：放射光
７：信号光用単一モード光ファイバ
７ａ：信号光用単一モード光ファイバのコア
８ａ：放射光受光用光ファイバ
８：放射光受光用光ファイバのコア
９：放射光検出手段
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：キャピラリー
１１、５４：モニタフォトディテクタ
１２：ミラー
１３：ガラスブロック
１４、１５：キャピラリー後端傾斜面に反射面として形成される誘電体多層膜
２０、２１、２２：反射溝
２０ａ：反射溝２０の壁
３０ａ、３０ｂ、５６´：放射光
３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、５６、５６´´：モニタ光
４０：ｚ−カットＬＮ基板１の側面
４１、４２、４３：反射面
５１：光導波路
５１Ａ：入力光導波路
５１Ｂ：入力用３−ｄＢカプラ
５１Ｂ´：分岐光導波路の分岐点
５１Ｃ、５１Ｄ：相互作用光導波路
５１Ｅ：出力用３−ｄＢカプラ
５１Ｆ：信号光出力用光導波路
５１Ｇ：モニタ光出力用光導波路
５１Ｈ：入力光導波路
５１Ｉ：出力光導波路
５２：進行波電極
５２Ａ：中心導体
５２Ｂ：接地導体
５２Ｃ：パッド
５３：反射溝
５５：ブロック材
５８：光出力側端面
６１：ＳｉＯ_２バッファ層
６２：Ｓｉ導電層
６３：反射ミラー
７０：入力光導波路
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ：相互作用光導波路
７２ａ、７２ｂ：中心導体
７３ａ、７３ｂ、７３ｃ：接地導体
７４ａ、７４ｂ：合波点
７５ａ、７５ｂ：反射溝
７６ａ、７６ｂ：モニタ光
７７ａ、７７ｂ：モニタフォトディテクタ
７８：出力用光導波路

Claims (7)

1. 電気光学効果を有し、対向するおもて面と裏面とを持つ基板（１）と、前記基板の前記おもて面側に、光を導波するための光導波路（２）と前記光を変調するための電圧を印加する中心導体（４）及び接地導体（５ａ、５ｂ）とを具備し、前記光導波路は、少なくとも前記光を入射するための入力光導波路（２ａ）と、前記入力光導波路に入射した光を分岐する分岐光導波路（２ｂ）と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路（２ｃ−１、２ｃ−２）と、前記相互作用光導波路を伝搬した前記光を合波する合波光導波路（２ｄ）と、該合波光導波路の合波点（２ｈ）を介して前記合波光導波路に接続されている出力光導波路（２ｆ）とを有しており、位相変調された光が前記合波光導波路において合波されて生成される高次モードが前記出力光導波路をほとんど伝搬せずに前記基板内に前記合波点から放射光（３０ａ、３０ｂ）として放射される光変調器と、
   前記光変調器の前記基板内に前記合波点から放射される前記放射光を検出し、前記基板の前記裏面以外の位置にあるモニタフォトディテクタ（１１）とを具備するモニタフォトディテクタ付き光変調器において、
   前記放射光（３０ｂ）を反射することにより、前記放射光を前記モニタフォトディテクタに向かって伝搬するモニタ光（３０ｃ）に変換する反射溝（２０）を備え、該反射溝は前記出力光導波路に対して前記モニタフォトディテクタを設置する側と反対側の前記基板の前記おもて面に形成されており、前記モニタ光が前記出力光導波路の下方で前記出力光導波路をクロスして伝搬することを特徴とするモニタフォトディテクタ付き光変調器。
2. 前記合波点がＹ分岐光導波路に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。
3. 前記光導波路がマッハツェンダ型光導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。
4. 前記モニタフォトディテクタを前記基板の長手方向の側面方向か、前記基板の後端方向の少なくとも一つに具備することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。
5. 前記モニタフォトディテクタを前記基板に対して空間を介して具備していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。
6. 前記光導波路は並列に構成された２個以上のマッハツェンダ型光導波路からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。
7. 前記基板が半導体からなることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のモニタフォトディテクタ付き光変調器。

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