JP5729075B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は光導波路素子に関し、特に、基板にマッハツェンダー型導波路を形成した光変調器あるいは光スイッチなどの光導波路素子に関する。

光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）や半導体材料などの基板上にマッハツェンダー型（ＭＺ型）の構造を構成した光導波路を有する強度変調器や光スイッチは広く使われている。

ＭＺ型構造の光変調器は、ＭＺ型導波路に沿って配置された変調電極を有し、この変調電極に印加される印加電圧によってＭＺ型導波路の分岐導波路（アーム）間の光位相を変化させ、出射側の合波部での干渉現象により光のＯＮ／ＯＦＦを制御している。

合波部の最も構成が簡単で製造も容易なＭＺ型構造としては、合波部にＹ分岐構造をもったものがあげられる。Ｙ分岐構造の導波路では、合波部に入力される光の位相が各アーム間で等しいときには出力導波路に光が導波され、位相が逆相となった場合にはＹ構造から光が放射することによりＯＮ／ＯＦＦ動作が行われる。

この際に、ＬＮや半導体材料などで構成される基板の厚みが、光導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下、例えば、２０μｍ以下の場合には、基板の厚みのサイズが光導波路のサイズと同程度になり、Ｙ分岐構造から放射された光が、基板自体をスラブ導波路とみなして、出力導波路近傍を伝搬する。このため、出力導波路にＯＦＦ光である放射モード光が混入し、クロストーク現象を発生させ、光導波路素子のＯＮ／ＯＦＦ消光比特性が劣化するという問題が生じる。

このような問題を解消するため、特許文献１及び２では、図１及び２に示すように、ＭＺ型導波路２の合波部にＸＹカプラーを用いることにより、基板がスラブ導波路化するのを防ぎ、光導波路素子の特性を向上させる技術が開示されている。図２は図１の点線部分Ｚの拡大図である。図１に示すように、ＭＺ型構造は、入力導波路２１、分岐導波路２２，２３、及び出力主導波路２４で構成されている。符号１は光導波路素子を構成する基板である。特許文献１及び２では、図２に示すように、放射モード光を導出するための出力副導波路２５，２６が合波部２０に設けられている。

合波部を含む前後の光波の伝搬形態（モード状態）について、さらに詳細に説明する。図３は、図２の合波部の近傍で、着目する位置を３点（符号Ａ，Ｂ，Ｃ）選択した場所を明示したものである。さらに、図４は、図３のＡ〜Ｃの地点における光導波路を伝搬する光波のモード状態を説明する図である。

２本の分岐導波路２２，２３に同相（ｉｎ ｐｈａｓｅ）の光波が伝搬し、合波部に入射する場合、１次モード（１ｓｔ ｍｏｄｅ）の光波が形成される。Ａ〜Ｃの各位置における光波のモード形状は、Ａ位置の各分岐導波路２２，２３に同じピーク形状を有する光波が同相で伝搬し、Ｂ位置の合波部２０では、２つのピーク形状が合わさって1つのピーク形状を形成し、Ｃ位置では、光波の大部分が出力主導波路２４を伝搬して、出力光Ｌ１として出力される。

また、２本の分岐導波路２２，２３に逆相（ａｎｔｉｐｈａｓｅ）の光波が伝搬し、合波部２０に入射する場合、２次モード（２ｎｄ ｍｏｄｅ）の光波が形成される。Ａ〜Ｃの各位置における光波のモード形状は、Ａ位置の各分岐導波路２２，２３に逆向きのピーク形状を有する光波が伝搬し、Ｂ位置では上下に１個ずつのピーク形状を持つ波形に変化し、Ｃ位置では、出力主導波路２４には光波は殆ど伝搬せず、一方の出力副導波路２５に１つのピーク形状の光波Ｌ２１が伝搬し、他方の出力副導波路２６には、逆相状態の１つのピーク形状の光波Ｌ２２が伝搬する。

さらに、マルチモード導波路である合波部２０が３次モードの導波条件を満足している場合には、合波部２０で３次モード（３ｒｄ ｍｏｄｅ）が発生する。この場合には、Ｂ位置では中央に１つのピーク形状とその両側に逆向きのピーク形状を持つ波形が発生し、Ｃ位置では、出力主導波路２４には光波は殆ど伝搬せず、一方の出力副導波路２５に１つのピーク形状の光波Ｌ３１が伝搬し、他方の出力副導波路２６には、同相状態の同じピーク形状の光波Ｌ３２が伝搬する。

このように３次モードの光波が発生している場合には、２つの出力副導波路２５，２６には、２次モード光（Ｌ２１，Ｌ２２）と３次モード光（Ｌ３１，Ｌ３２）とを重ね合わせた光波（放射モード光）の干渉により、出力主導波路２４に出力される光波（主出力光）と、出力副導波路２５，２６に出力される光波（モニタ光，放射モード光）との強度関係は、相補的な関係からズレる。

図５（ａ）に示すように、２次モード光のみの理想的な状態では、出力主導波路２４から出力される主出力光の光強度変化（実線グラフ）と、出力副導波路２５，２６から出力されるモニタ光の光強度変化（点線グラフ）とは、完全に相補的な関係となる。このため、モニタ光を用いて１／２強度レベルにバイアス点ｂ０を設定した場合には、主出力光においても、同じ印加電圧において１／２強度のバイアス点に設定される。

これに対し、上述したような３次モード光が発生されると、図５（ｂ）のように、主出力光の波形（実線グラフ）と、２次モード光と３次モード光が合わさったモニタ光（点線グラフ）とは、相補的な関係から位相差Ｓだけシフトすることとなる。このため、モニタ光に基づき、１／２強度レベルにバイアス点ｂ１を設定しても、主出力光においては、同じ印加電圧は、バイアス点ｂ２となり、１／２強度レベルから大きく外れることとなる。

このようにモニタ光に基づくバイアス制御では、光出力信号を最適に設定することが困難となる。特に、差動四相位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ）などの変調フォーマットを用いた光通信では、データ判別を行う光出力レベルが変調曲線の最大又は最小の透過点に設定されず、例えば、上記のような１／２強度レベルにバイアス点が設定される。このようなバイアス点では、変調曲線の非線形性が持つ波形整形効果が寄与せず、設定バイアス点のズレが信号品質に大きな影響を与えることとなり、精密なバイアス点の設定が困難となる。

米国特許明細書第５，６２７，９２９号 特願２０１０−５２５１６号（出願日２０１０年３月１０日）

本発明は、上述した問題を解消し、ＭＺ型導波路の合波部から放出される主出力光とモニタ光（放射モード光）との光強度変化が相補的関係となるように設定することが可能な光導波路素子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、基板に少なくとも１つのマッハツェンダー型導波路が形成され、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部には、２本の分岐導波路が導入されるように接続されると共に、出力主導波路と該出力主導波路を挟む２本の出力副導波路とが該合波部から導出されるように接続される構成を備えた光導波路素子において、該基板の厚さは２０μｍ以下であり、該分岐導波路は、シングルモード導波路と該シングルモード導波路の幅から該合波部に向かって狭くなるテーパー状の部分とを有し、該合波部の導波路はマルチモード導波路で構成され、該マルチモード導波路の幅は、該シングルモード導波路の幅よりも広く、かつ、該シングルモード導波路の幅の２倍の幅よりも狭く構成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該出力主導波路、該出力副導波路の少なくとも一つの導波路の幅は、該合波部に向かって狭くなるよう構成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該出力主導波路は、シングルモード導波路で構成され、該合波部に接続される該出力副導波路の幅は、該合波部に接続された該出力主導波路の幅よりも狭くなるよう構成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、基板に少なくとも１つのマッハツェンダー型導波路が形成され、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部には、２本の分岐導波路が導入されるように接続されると共に、出力主導波路と該出力主導波路を挟む２本の出力副導波路とが該合波部から導出されるように接続される構成を備えた光導波路素子において、該基板の厚さは２０μｍ以下であり、該分岐導波路は、シングルモード導波路と該シングルモード導波路の幅から該合波部に向かって狭くなるテーパー状の部分とを有し、該合波部の導波路はマルチモード導波路で構成され、該マルチモード導波路の幅は、該シングルモード導波路の幅よりも広く、かつ、該シングルモード導波路の幅の２倍の幅よりも狭く構成されているため、合波部において、３次モード光の発生が抑制され、放射モード光の光強度変化が、主出力光のものと相補的関係からズレることが防止される。

また、基板の厚さは２０μｍ以下であるため、基板自体がスラブ導波路化し易い場合であっても、上述した本発明を用いることで、主出力光と放射モード光とを分離することが可能となる。

さらに、分岐導波路の幅は、該合波部に向かって狭くなるよう構成されているため、分岐導波路を伝搬するシングルモード光を、モード変化を抑制しながら効率良く合波部に導入することが可能となる。

請求項２に係る発明により、出力主導波路、出力副導波路の少なくとも一つの導波路の幅は、該合波部に向かって狭くなるよう構成されているため、合波部から必要な光波を円滑に導出することも可能となる。

請求項３に係る発明により、出力主導波路は、シングルモード導波路で構成され、合波部に接続される出力副導波路の幅は、該合波部に接続された該出力主導波路の幅よりも狭くなるよう構成されているため、主出力光と放射モード光とを効率良く分離することが可能となる。

光導波路素子の一例を示す平面図である。 図１の合波部の近傍（点線枠Ｚ）における拡大図であり、従来の光導波路素子の様子を説明する図である。 図２の合波部の近傍における３つの位置（Ａ〜Ｃ）の関係を説明する図である。 図３に示す３つの位置（Ａ〜Ｃ）での光波のモード状態を説明する図である。 光導波路素子における主出力光とモニタ光（放射モード光）との相関関係を説明する図であり、（ａ）は完全な相補的関係を有する理想状態を示し、（ｂ）は完全な相補的関係からズレた状態を説明する図である。 本発明の光導波路素子における合波部の近傍の様子を説明する図である。 本発明の光導波路素子における複数のマッハツェンダー型導波路を集積する例を示す図である。

本発明の光導波路素子について、以下に詳細に説明する。
図６に示すように、本発明の光導波路素子は、基板に少なくとも１つのマッハツェンダー型導波路が形成され、該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部（２０）には、２本の分岐導波路（２２，２３）が導入されると共に、出力主導波路（２４）と該出力主導波路を挟む２本の出力副導波路（２５，２６）とが導出されるように構成された光導波路素子において、該分岐導波路（２２，２３）はシングルモード導波路で構成され、該合波部（２０）の導波路はマルチモード導波路で構成され、該マルチモード導波路の幅（Ｗ２）は、該シングルモード導波路の幅（Ｗ１，Ｗ３）よりも広く、かつ、該シングルモード導波路の幅の２倍の幅よりも狭く構成されていることを特徴とする。

合波部２０はマルチモード導波路を構成するが、１次モード光及び２次モード光のみを伝搬し、３次モード光がカットオフ波長領域となるように合波部２０の幅Ｗ２を設定している。これにより、合波部において、３次モード光の発生が抑制され、さらに、出力主導波路と２本の出力副導波路への３次モードの結合が抑制され、主出力光とモニタ光（放射モード光）との光強度変化の相補的関係からズレること（変調曲線がシフトすること）が防止できる。

本発明に利用される基板としては、誘電体基板や電気光学効果を有する材料を用いた基板が利用でき、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料、並びにこれらの材料を組み合わせた基板が利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。

基板に光導波路を形成する方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。

光変調器などの光導波路素子では、基板上に信号電極や接地電極などの変調電極が形成される。このような電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。

基板を薄板化した場合には素子全体の機械的強度が低下するため、基板に補強板が接合される。補強板に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光変調器の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、薄板と補強板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。

薄板と補強板との接合には、接着剤として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。また、直接接合法により、接着剤を使用せず、薄板と補強板とを直接貼り合わせることも可能である。

本発明に利用される基板の厚さは、導波路を伝搬する光波の波長の１５倍以下（例えば、１．５５μｍの波長を有する光波を利用する場合には、基板の厚みは約２０μｍ以下となる。）に設定することで、基板がスラブ導波路として機能し易くなる。このような条件では、基板内に放出された光波が基板内を伝搬し、光導波路と再結合し易くなる。このような基板を利用した光導波路素子でも、本発明の構成を採用することで、光導波路から基板内への光波、特に、高次モード光の放出を抑制すると共に、出力特性が安定した光導波路素子を提供することが可能となる。

本発明の光導波路素子に係る実施例について、さらに詳細に説明する。
上述したように合波部２０を構成するマルチモード導波路の幅Ｗ２は、シングルモード導波路よりも広く、シングルモード導波路の幅の２倍の幅よりも狭く構成されている。シングルモード導波路の幅よりも狭くなると、１次モード光及び２次モード光を基板内に放出する原因となる。このため、主出力光など光波を、光導波路を用いて効率的に伝搬することが困難となる。

また、マルチモード導波路の幅Ｗ２がシングルモード導波路の２倍の幅を超えると、３次モード光が発生し易くなり、主出力光とモニタ光との間で変調曲線のシフト現象が発生する。好適には、マルチモード導波路の幅Ｗ２はシングルモード導波路の１．２〜１．６倍程度とすることが、より好ましい。

さらに、分岐導波路（２２，２３）の幅は、合波部２０に向かって狭くなるよう構成されている。図６において、シングルモード導波路の幅であるＷ１が、合波部２０に接続するために幅Ｗ１０と狭くなっている。これにより、分岐導波路（２２，２３）を伝搬するシングルモード光を、モード変化を抑制しながら効率良く合波部に導入することが可能となる。また、分岐導波路と同様に、出力主導波路又は出力副導波路についても、合波部に向かって狭く構成することも可能である。このように導波路の幅は連続的かつ滑らかに変化させる方が、光波の伝搬損失や他のモード状態に変化することを抑制することが可能となる。

出力主導波路２４は、シングルモード導波路で構成され、合波部２０に接続される出力副導波路（２５，２６）の幅（Ｗ４０）は、該合波部２０に接続された該出力主導波路の幅（Ｗ３０）よりも狭くなるよう構成されている。これにより、主出力光（１次モード光）と放射モード光（２次モード光）とを効率良く分離することが可能となる。

さらに、合波部２０への出力主導波路２４や出力副導波路（２５，２６）の接続に際しては、導波路の幅をテーパ状に狭く構成して接続することができる。なお、合波部への各種導波路を接続する際には、図６のような直線状のテーパ形状にするだけでなく、正弦関数などの滑らかな曲線を用いたテーパ形状とする方が、光導波路の形状変化の不連続性を低減することが可能となる。

また、合波部２０の形状は、常に一定の幅Ｗ２で固定するのではなく、必要に応じて、光伝播方向に対して増加又は減少するよう構成し、分岐導波路や出力副導波路などと滑らかに接続するよう構成することも可能である。

図７は、複数のマッハツェンダー型導波路（２００，２０１，２０２）を集積した構造を有する光導波路素子の平面図である。このような光導波路素子においても、点線枠Ｚ１〜Ｚ３において、図６に示すような構造の合波部を構成することで、各マッハツェンダー型導波路の出力主導波路から出力される主出力光と、モニタ光（Ｐ１〜Ｐ３）との光強度変化を常に相補的な関係に維持することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、ＭＺ型導波路の合波部から放出される主出力光とモニタ光（放射モード光）との光強度変化が相補的関係となるように設定することが可能な光導波路素子を提供することが可能となる。

１ 基板
２ 光導波路
２０ 合波部
２２，２３ 分岐導波路
２４ 出力主導波路
２５，２６ 出力副導波路

Claims (3)

1. 基板に少なくとも１つのマッハツェンダー型導波路が形成され、
   該マッハツェンダー型導波路の出射側の合波部には、２本の分岐導波路が導入されるように接続されると共に、出力主導波路と該出力主導波路を挟む２本の出力副導波路とが該合波部から導出されるように接続される構成を備えた光導波路素子において、
   該基板の厚さは２０μｍ以下であり、
   該分岐導波路は、シングルモード導波路と該シングルモード導波路の幅から該合波部に向かって狭くなるテーパー状の部分とを有し、
   該合波部の導波路はマルチモード導波路で構成され、該マルチモード導波路の幅は、該シングルモード導波路の幅よりも広く、かつ、該シングルモード導波路の幅の２倍の幅よりも狭く構成されていることを特徴とする光導波路素子。
2. 請求項１に記載の光導波路素子において、該出力主導波路、該出力副導波路の少なくとも一つの導波路の幅は、該合波部に向かって狭くなるよう構成されていることを特徴とする光導波路素子。
3. 請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該出力主導波路は、シングルモード導波路で構成され、該合波部に接続される該出力副導波路の幅は、該合波部に接続された該出力主導波路の幅よりも狭くなるよう構成されていることを特徴とする光導波路素子。

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