特開 2017-173662 光変調器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-173662(P2017-173662A)

(43)【公開日】2017年9月28日

(54)【発明の名称】光変調器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/03 20060101AFI20170901BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/03 505

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-61201(P2016-61201)

(22)【出願日】2016年3月25日

(71)【出願人】

【識別番号】000183266

【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100116687

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 爾

(74)【代理人】

【識別番号】100098383

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 純子

(72)【発明者】

【氏名】清水 亮

(72)【発明者】

【氏名】加藤 圭

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 徳一

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA21

2K102BA02

2K102BB01

2K102BB04

2K102BC04

2K102BD01

2K102CA09

2K102DA04

2K102DB04

2K102DC08

2K102DD03

2K102DD04

2K102DD05

2K102DD07

2K102EA02

2K102EA07

2K102EA16

2K102EB22

(57)【要約】

【課題】
受光素子の受光信号に電気的クロストークなどのノイズが入り込むのを抑制することが可能な光変調器を提供する。
【解決手段】
本発明に係る光変調器は、光変調部Ｍａで変調された光波を受光する受光素子３ａと、光変調部Ｍｂで変調された光波を受光する受光素子３ｂとが基板１に配置される。また、受光素子３ａの受光信号を該基板１の外部に導く電気線４ａの少なくとも一部と、受光素子３ｂの受光信号を該基板の外部に導く電気線４ｂの少なくとも一部とが該基板１に形成される。更に、該基板１に形成された電気線４ａの一部と電気線４ｂの一部との間に、電気線４ａと電気線４ｂとの間でのクロストークを抑制するクロストーク抑制手段５が設けられる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光導波路が形成された基板を備え、
該光導波路を伝搬する光波を変調する少なくとも第１の光変調部と第２の光変調部とを有する光変調器において、
前記第１の光変調部で変調された光波を受光する第１の受光素子と、前記第２の光変調部で変調された光波を受光する第２の受光素子とが該基板に配置されると共に、前記第１の受光素子の受光信号を該基板の外部に導く第１の電気線の少なくとも一部と、前記第２の受光素子の受光信号を該基板の外部に導く第２の電気線の少なくとも一部とが該基板に形成され、
該基板に形成された前記第１の電気線の一部と前記第２の電気線の一部との間に、前記第１の電気線と前記第２の電気線との間でのクロストークを抑制するクロストーク抑制手段を設けたことを特徴とする光変調器。

【請求項2】

請求項１に記載の光変調器において、
該クロストーク抑制手段は、接地された金属であることを特徴とする光変調器。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の光変調器において、
前記第１の電気線と前記第２の電気線とが交差する部分で、前記第１の電気線の上空を跨ぐように前記第２の電気線が設けられていることを特徴とする光変調器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光変調器に関し、特に、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極とを有する光変調器に関する。

【背景技術】

【0002】

光通信分野や光計測分野において、マッハツェンダー型光導波路を有する強度変調器や位相変調器など各種の光変調器が用いられている。マッハツェンダー型光導波路から出力される光の強度変化は、変調電極に印加される電圧に対して例えば正弦関数的な特性を示す。光変調器の用途に応じて、最適な出力光の強度を得るため、変調電極に印加される変調信号は、適切な動作バイアス点に設定することが必要となる。

【0003】

このため、従来では、光変調器から出力される信号光の一部、あるいはマッハツェンダー型光導波路の合波部から放射される放射光を、モニタ光として、光検出器のような受光素子で検出し、光変調器の出力光の強度の状態をモニタすることが行われている。そして、受光素子の検出値（モニタ出力）に基づき、変調電極に印加される変調信号の動作バイアス点を調整（バイアス制御）している。

【0004】

このような光変調器に関し、これまでに種々の発明が提案されている。
例えば、特許文献１には、基板上に受光素子を配置した場合でも、受光素子の受光感度を高めると共に、受光素子の周波数帯域の低下を抑制するようにした光変調器が開示されている。また、特許文献２には、マッハツェンダー型光導波路の合波部からの２つの放射光を同時に受光モニタする場合でも、受光素子の周波数帯域の低下を抑制するようにした光変調器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５−１３８１４５号公報

【特許文献2】特開２０１５−１９４５１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年の通信の大容量化に伴い、１つの基板に複数の光変調部を設け、光変調部毎に異なる変調信号を変調電極に印加して光変調を行う構造の光変調器が開発されている。また、複数の光変調部が設けられた基板を複数備えた多素子構造の光変調器も開発されている。このような光変調器では、各々の光変調部で独立に変調信号のバイアス制御を行うために、基板に多数の受光素子を配置して、光変調部毎にモニタ光を検出する構成となる。

【0007】

また、通信の高速化に伴って、受光素子の受光帯域の高周波数化も進められている。高速通信に対応した受光帯域を確保するためには、受光素子の受光信号を伝搬する電気線をなるべく短く配線する必要がある。しかしながら、基板に多数の受光素子を配置する構造で電気線を短く配線しようとすると、配線の自由度が少ないために電気線の間隔が狭くなり易い。そうすると、電気線が近接して並行する部分で電気的クロストークが発生し易くなり、電気線を伝搬する受光信号にノイズが含まれるという問題が生じる懸念がある。

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、受光素子の受光信号に電気的クロストークなどのノイズが入り込むのを抑制することが可能な光変調器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明の光変調器は、以下のような技術的特徴を有する。
（１） 光導波路が形成された基板を備え、該光導波路を伝搬する光波を変調する少なくとも第１の光変調部と第２の光変調部とを有する光変調器において、前記第１の光変調部で変調された光波を受光する第１の受光素子と、前記第２の光変調部で変調された光波を受光する第２の受光素子とが該基板に配置されると共に、前記第１の受光素子の受光信号を該基板の外部に導く第１の電気線の少なくとも一部と、前記第２の受光素子の受光信号を該基板の外部に導く第２の電気線の少なくとも一部とが該基板に形成され、該基板に形成された前記第１の電気線の一部と前記第２の電気線の一部との間に、前記第１の電気線と前記第２の電気線との間でのクロストークを抑制するクロストーク抑制手段を設けたことを特徴とする。

【0010】

（２） 上記（１）に記載の光変調器において、該クロストーク抑制手段は、接地された金属であることを特徴とする。

【0011】

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、前記第１の電気線と前記第２の電気線とが交差する部分で、前記第１の電気線の上空を跨ぐように前記第２の電気線が設けられていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明の光変調器は、光導波路が形成された基板を備え、該光導波路を伝搬する光波を変調する少なくとも第１の光変調部と第２の光変調部とを有する光変調器において、前記第１の光変調部で変調された光波を受光する第１の受光素子と、前記第２の光変調部で変調された光波を受光する第２の受光素子とが該基板に配置されると共に、前記第１の受光素子の受光信号を該基板の外部に導く第１の電気線の少なくとも一部と、前記第２の受光素子の受光信号を該基板の外部に導く第２の電気線の少なくとも一部とが該基板に形成され、該基板に形成された前記第１の電気線の一部と前記第２の電気線の一部との間に、前記第１の電気線と前記第２の電気線との間でのクロストークを抑制するクロストーク抑制手段を設けたため、受光素子の受光信号に電気的クロストークなどのノイズが入り込むのを抑制することが可能な光変調器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係る光変調器の実施例を説明する平面図である。

【図2】本発明に係る光変調器の他の実施例を説明する平面図である。

【図3】本発明に係る光変調器における受光信号のノイズ除去の効果を説明する図である。

【図4】本発明に係る多素子構造の光変調器の実施例を説明する平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明に係る光変調器について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る光変調器の実施例を説明する平面図である。
本発明の光変調器は、図１に示すように、光導波路２が形成された基板１を備え、該光導波路２を伝搬する光波を変調する少なくとも第１の光変調部Ｍａと第２の光変調部Ｍｂとを有する光変調器に関するものである。
該光変調器は、第１の光変調部Ｍａで変調された光波を受光する第１の受光素子３ａと、第２の光変調部Ｍｂで変調された光波を受光する第２の受光素子３ｂとが該基板１に配置される。また、第１の受光素子３ａの受光信号を該基板１の外部に導く第１の電気線４ａの少なくとも一部と、第２の受光素子３ｂの受光信号を該基板の外部に導く第２の電気線４ｂの少なくとも一部とが該基板１に形成される。更に、該基板１に形成された第１の電気線４ａの一部と第２の電気線４ｂの一部との間に、第１の電気線４ａと第２の電気線４ｂとの間でのクロストークを抑制するクロストーク抑制手段５が設けられる。

【0015】

基板１としては、石英、半導体など光導波路を形成できる基板や、電気光学効果を有する基板である、ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム），ＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶などを用いた基板がある。

【0016】

基板１に形成する光導波路２は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。また、光導波路となる部分の両側に溝を形成したリブ型光導波路や光導波路部分を凸状としたリッジ型導波路も利用可能である。また、ＰＬＣ等の異なる基板に光導波路を形成し、これらの基板を貼り合せ集積した光回路にも、本発明を適用することが可能である。

【0017】

基板１には、光導波路２を伝搬する光波を変調するための変調電極（不図示）が設けられる。変調電極は、信号電極や接地電極から構成され、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成する。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ることも可能である。なお、基板１（光導波路２）内を伝搬する信号光を、受光素子３ａ，３ｂ側に導出する領域においては、バッファ層を形成すると、信号光を効率良く導出することが難しくなるため、当該領域にはバッファ層を形成しないことが好ましい。また、バッファ層を介して受光素子３ａ，３ｂを配置する場合には、受光感度を確保するには、受光素子３ａ，３ｂを配置する領域のバッファ層の厚みを他の領域よりも薄くする方がよい。

【0018】

受光素子３ａ，３ｂは光導波路２に直接接触させてもよいが、光導波路２から放射される光（エバネセント波）を効率よく抽出するには、光導波路２上に高屈折率膜を形成してその上に配置することが好ましい。この場合、高屈折率膜の屈折率は、光導波路２の屈折率よりも高く、受光素子基板の屈折率よりも低く設定する必要がある。また、例えば特開２０１３−８０００９号公報に開示されているように、基板１（あるいは光導波路２等）に溝又は反射部材を配置して、信号光の一部を反射により受光素子の方に導くように構成してもよい。

【0019】

図１の光変調器は、変調電極に変調信号を印加して光変調を行う２つの光変調部Ｍａ，Ｍｂを有している。光変調部Ｍａ，Ｍｂは、互いに異なる変調信号を用いて光変調を行っており、各々独立に変調信号のバイアス制御を行うように構成されている。
なお、互いに異なる変調信号を用いて光変調を行う光変調部としては、図１のように１つのマッハツェンダー型光導波路で形成したものに限定されない。すなわち、例えば、２つのマッハツェンダー型光導波路を入れ子型に配置したネスト型光導波路で形成したもの、２つのネスト型光導波路を更に入れ子型に配置したものなど、種々の形状のものを用いることができる。

【0020】

基板１には、光変調部Ｍａで変調された光波を受光する受光素子３ａと、光変調部Ｍｂで変調された光波を受光する受光素子３ｂとが配置される。受光素子３ａ，３ｂは、光変調部Ｍａ，Ｍｂの各々の出力導波路２１ａ，２１ｂを伝搬して光変調器から出力される信号光の一部を、モニタ光として検出する。本例では、基板１として、２０μｍ以下の厚みの基板を用いているが、基板の厚みは任意である。
なお、図２を参照して後述するように、光変調部Ｍａ，Ｍｂを構成する各々のマッハツェンダー型光導波路の合波部から放射される放射光を、モニタ光として検出してもよい。また、基板が或る程度の厚みを有する場合には、受光素子３ａ，３ｂを基板に埋め込む構成とすることもできる。

【0021】

図１の例では、光変調部Ｍａの出力導波路２１ａには、出力導波路２１ａを伝搬する信号光の一部を抽出するモニタ用導波路２２ａを設けてある。このモニタ用導波路２２ａは、出力導波路２１ａから抽出した信号光を受光素子３ａに導くように形成されている。
また、光変調部Ｍｂの出力導波路２１ｂには、出力導波路２１ｂを伝搬する信号光の一部を抽出するモニタ用導波路２２ｂを設けてある。このモニタ用導波路２２ｂは、出力導波路２１ｂから抽出した信号光を受光素子３ｂに導くように形成されている。
すなわち、同図の受光素子３ａ，３ｂは、それぞれ、光変調部Ｍａ，Ｍｂで変調された信号光の一部をモニタ光として検出する構成となっている。なお、出力導波路（２１ａ，２１ｂ）に重ねて受光素子（３ａ，３ｂ）を配置すると共に、出力導波路の断面の一部に溝や反射部材を設けることで、出力導波路から信号光の一部を直接取り出して受光素子で受光するようにしてもよい。

【0022】

受光素子３ａから出力される受光信号は、受光素子３ａに接続された電気線４ａを通じて基板１の外部に導出される。また、受光素子３ｂから出力される受光信号は、受光素子３ｂに接続された電気線４ｂを通じて基板１の外部に導出される。
図１の例では、電気線４ａ，４ｂの全区間を基板１上に形成しているが、一部の区間を基板１から離して形成（例えば、図２参照）するようにしてもよい。

【0023】

電気線４ａ，４ｂは、受光素子３ａ，３ｂの受光帯域を確保するために、配線がなるべく短くなるように形成される。この場合、受光素子３ａ，３ｂの配置や受光信号の出力端子の配置などの関係上、電気線４ａと電気線４ｂとが近接して並行する区間が生じてしまう。この区間では、電気線４ａと電気線４ｂとの間における電気的なクロストークが懸念されるので、クロストーク抑制手段として金属５を設ける。この金属５は、光変調器の筐体などに接続して接地することが望ましい。

【0024】

このように、異なる受光素子に接続された電気線同士が近接して並行する区間においては、接地された金属を電気線間に設けることで、電気線間のクロストークの発生を抑制することができ、受光信号のノイズを低減することができる。

【0025】

なお、クロストーク抑制手段は、上記のような接地された金属を電気線間に設ける構造に限定されず、電気線間におけるクロストークを低減することが可能な種々の構造を採用することができる。例えば、電気線間の基板部分に溝を形成した構造としても、基板内を通じて各電気線の電界が影響し合うことを抑制できるので、電気線間におけるクロストークを低減することができる。

【0026】

図２には、本発明に係る光変調器の他の実施例を説明する平面図を示してある。
図２の例では、光変調部Ｍａの出力導波路２１ａの両側に、光変調部Ｍａを構成するマッハツェンダー型光導波路の合波部から放射される放射光を導く放射光導波路２３ａを設け、出力導波路２１ａ及び放射光導波路２３ａを覆うように受光素子３ａが配置されている。
また、光変調部Ｍｂの出力導波路２１ｂの両側に、光変調部Ｍｂを構成するマッハツェンダー型光導波路の合波部から放射される放射光を導く放射光導波路２３ｂを設け、出力導波路２１ｂ及び放射光導波路２３ｂを覆うように受光素子３ｂが配置されている。
なお、出力導波路（２１ａ，２１ｂ）と受光素子（３ａ，３ｂ）の間には、低屈折率構造（出力導波路より低い屈折率を持つ構造）を設けてあり、出力導波路を伝搬する信号光が受光素子へ入射することを抑制している。低屈折率構造としては、ＳｉＯ_２等の膜を配置する構造や、空気層を介在させる構造などが挙げられる。
すなわち、同図の受光素子３ａ，３ｂは、それぞれ、光変調部Ｍａ，Ｍｂからの放射光をモニタ光として検出する構成となっている。
光変調部Ｍａ，Ｍｂは、１つのマッハツェンダー型光導波路で形成したもの、２つのマッハツェンダー型光導波路を入れ子型に配置してネスト型光導波路としたもの、２つのネスト型光導波路を更に入れ子型に配置したものなど、種々の形状とすることができる。

【0027】

受光素子３ａから出力される受光信号は、受光素子３ａに接続された電気線４ａを通じて基板１の外部に導出される。また、受光素子３ｂから出力される受光信号は、受光素子３ｂに接続された電気線４ｂを通じて基板１の外部に導出される。
同図の例では、電気線４ａと電気線４ｂとが交差するように配線されており、その交差部分では、一方の電気線（電気線４ｂ）の上空を跨ぐように他方の電気線（電気線４ａ）が形成されている。

【0028】

このように、異なる受光素子に接続された電気線を互いに立体的（空間的）に交差させることで、電気線同士が近接して並行する区間を減らすことが可能となる。これにより、クロストークの発生を抑制することができ、受光信号のノイズを低減することができる。

【0029】

図３は、本発明に係る光変調器における受光信号のノイズ除去の効果を説明する図である。（ａ）は、クロストーク抑制手段を設けなかった場合のクロストークの測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は、クロストーク抑制手段を設けた場合のクロストークの測定結果を示すグラフである。両グラフともに、横軸は周波数（ＧＨｚ）、縦軸はクロストーク量（ｄＢ）を表す。ここでは、変調電極に変調信号を入力し、受光素子間のクロストーク量を電気スペクトラムアナライザ（アドバンテスト社のスペクトラムアナライザ：Ｒ３２６７）により評価した。図３から明らかなように、近接して並行する電気線間にクロストーク抑制手段を設けることで、受光信号のノイズを効果的に除去できることが分かる。

【0030】

クロストークを抑制するためには、電気線の間隔Ｗが広く、並行する区間長Ｌが短いほど効果的であるが、発明者は、間隔Ｗは２００μｍ以上、区間長Ｌは３ｍｍ以下であれば、光変調器を制御する上で必要最低限のクロストーク量を確保できることを見い出した。

【0031】

ここで、これまでの説明では、基板上に２つの光変調部を設けた構成を例にしたが、基板上に３以上の光変調部を設け、各々の光変調部に対応させて受光素子を設ける構成としてもよい。この場合にも、受光素子の電気線同士が近接して並行する区間では、電気線間にクロストーク抑制手段を設ければよい。

【0032】

また、本発明は、複数の光変調部が設けられた基板を複数備えた多素子構造の光変調器にも適用することができる。
図４は、本発明に係る多素子構造の光変調器の実施例を説明する平面図である。
同図の光変調器は、第１の基板１（Ａ）と第２の基板１（Ｂ）を備えている。基板１（Ａ）には、２つの光変調部Ｍａ（Ａ），Ｍｂ（Ａ）と、光変調部Ｍａ（Ａ）で変調された光波を受光する受光素子３ａ（Ａ）と、光変調部Ｍｂ（Ａ）で変調された光波を受光する受光素子３ｂ（Ａ）とが設けられている。また、基板１（Ａ）には、受光素子３ａ（Ａ）による受光信号を伝送する電気線４ａ（Ａ）と、受光素子３ｂ（Ａ）による受光信号を伝送する電気線４ｂ（Ａ）も形成されている。

【0033】

同様に、基板１（Ｂ）にも、２つの光変調部Ｍａ（Ｂ），Ｍｂ（Ｂ）と、光変調部Ｍａ（Ｂ）で変調された光波を受光する受光素子３ａ（Ｂ）と、光変調部Ｍｂ（Ｂ）で変調された光波を受光する受光素子３ｂ（Ｂ）とが設けられている。また、基板１（Ｂ）には、受光素子３ａ（Ｂ）による受光信号を伝送する電気線４ａ（Ｂ）と、受光素子３ｂ（Ｂ）による受光信号を伝送する電気線４ｂ（Ｂ）も形成されている。更に、基板１（Ｂ）には、基板１（Ａ）の受光素子３ａ（Ａ）による受光信号を中継する電気線４ａ（Ａ’）と、基板１（Ａ）の受光素子３ｂ（Ａ）による受光信号を中継する電気線４ｂ（Ａ’）も形成されている。
すなわち、基板１（Ａ）の受光素子３ａ（Ａ），３ｂ（Ａ）による受光信号は、電気線４ａ（Ａ），４ｂ（Ａ）から基板１（Ｂ）の電気線４ａ（Ａ’），４ｂ（Ａ’）を経由して、基板の外部に導出される構成となっている。

【0034】

基板１（Ａ）に設けられた各電気線４ａ（Ａ），４ｂ（Ａ）が近接して並行する区間には、電気的なクロストークを抑制すべく、それらの電気線間に、クロストーク抑制手段の一例である金属５Ａを配置してある。また、基板１（Ｂ）に設けられた各電気線４ａ（Ａ），４ｂ（Ａ），４ａ（Ｂ），４ｂ（Ｂ）が近接して並行する区間にも、電気的なクロストークを抑制すべく、それらの電気線間に、クロストーク抑制手段の一例である金属５Ｂを配置してある。
このような構成により、多素子構造の光変調器において、基板内の各光変調部で変調された光波の受光信号を伝送する際の電気的クロストークを抑制できるだけでなく、他の基板で得られた受光信号を中継する際の電気的クロストークも抑制することができる。多素子構造では、受光素子に対する電気線が図４のように並列し、その長さも長くなることからクロストークの改善として、クロストーク抑制手段（図４では、金属５Ａ，５Ｂ）が非常に有効となる。
多素子構造の光変調器は、更に多くの基板に光変調部を設けてもよく、各基板の光変調部でそれぞれ異なる波長の光波を光変調する場合には、クロストーク抑制手段によるクロストーク防止の効果が大きくなることはいうまでもない。

【0035】

なお、各光変調部は、１つのマッハツェンダー型光導波路で形成したもの、２つのマッハツェンダー型光導波路を入れ子型に配置してネスト型光導波路としたもの、２つのネスト型光導波路を更に入れ子型に配置したものなど、種々の形状とすることができる。この場合、外側のマッハツェンダー型光導波路で構成される主変調部に対して受光素子を設けるだけでなく、内側のマッハツェンダー型光導波路で構成される副変調部に対しても受光素子を設けることができる。このような構造だと、受光素子が多数となり、これに相応して電気線も増えるので、クロストーク抑制手段を設けることが非常に有効となる。

【0036】

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した内容に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能であることはいうまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0037】

以上、説明したように、本発明によれば、受光素子の受光信号に電気的クロストークなどのノイズが入り込むのを抑制することが可能な光変調器を提供することができる。

【符号の説明】

【0038】

１ 基板
２ 光導波路
３ａ，３ｂ 受光素子
４ａ，４ｂ 電気線
５ 金属
２１ａ，２１ｂ 出力導波路
２２ａ，２２ｂ モニタ用導波路
２３ａ，２３ｂ 放射光導波路
Ｍａ，Ｍｂ 光変調部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】