特開 2023-8095 光デバイス及び光通信装置

(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】P2023008095

(43)【公開日】2023-01-19

(54)【発明の名称】光デバイス及び光通信装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/035 20060101AFI20230112BHJP

   G02B 6/125 20060101ALI20230112BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20230112BHJP

【ＦＩ】

G02F1/035

G02B6/125

G02B6/122 311

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021111375

(22)【出願日】2021-07-05

(71)【出願人】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】牧野 俊太郎

(72)【発明者】

【氏名】久保田 嘉伸

(72)【発明者】

【氏名】大森 康弘

(72)【発明者】

【氏名】土居 正治

(72)【発明者】

【氏名】杉山 昌樹

(72)【発明者】

【氏名】竹内 信太郎

(72)【発明者】

【氏名】吉田 寛彦

(72)【発明者】

【氏名】丸山 眞示

(72)【発明者】

【氏名】倉橋 輝雄

【テーマコード（参考）】

2H147

2K102

【Ｆターム（参考）】

2H147AB04

2H147AB11

2H147BA05

2H147BB02

2H147BB03

2H147BE01

2H147BE22

2H147CA01

2H147CA08

2H147EA05A

2H147EA05C

2H147EA13B

2H147EA13C

2H147EA14B

2H147EA14C

2H147GA25

2K102AA22

2K102BA02

2K102BB01

2K102BB04

2K102BC04

2K102BD01

2K102CA13

2K102DA05

2K102DB04

2K102DB08

2K102DC04

2K102DD05

2K102EA03

(57)【要約】

【課題】クロストークを抑制しながら、変調効率及び結合効率の向上を図る光デバイス等を提供することを目的とする。
【解決手段】光デバイスは、薄膜ＬＮ（Lithium Niobate）層と、第１の光導波路と、第２の光導波路とを有する。薄膜ＬＮ層は、Ｘカット又はＹカットのＬＮ層である。第１の光導波路は、薄膜ＬＮ層の結晶軸のＺ方向と略直交する方向に沿って薄膜ＬＮ層に形成された光導波路である。第２の光導波路は、第１の光導波路に接続する引き回しの光導波路である。第１の光導波路のコアの少なくとも一部は、第２の光導波路のコアに比較して厚くした。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｘカット又はＹカットの薄膜ＬＮ（Lithium Niobate）層と、
前記薄膜ＬＮ層の結晶軸のＺ方向と略直交する方向に沿って前記薄膜ＬＮ層に形成された第１の光導波路と、
前記第１の光導波路に接続する引き回しの第２の光導波路と、を有し、
前記第１の光導波路のコアの少なくとも一部は、
前記第２の光導波路のコアに比較して厚くしたことを特徴とする光デバイス。

【請求項2】

前記第２の光導波路は、
前記Ｚ方向と略直交する方向以外の方向に沿って前記薄膜ＬＮ層に形成された直線導波路又は曲がり導波路の内、少なくとも何れか一つを含む引き回しの光導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項3】

前記第１の光導波路の少なくとも一部は、
リッジ型導波路であって、
前記第２の光導波路の少なくとも一部は、
チャネル導波路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。

【請求項4】

前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間を接合する接合部のコアは、
前記第１の光導波路のコアから前記第２の光導波路のコアに向けて徐々に薄くなるテーパ形状であることを特徴とする請求項１～３の何れか一つに記載の光デバイス。

【請求項5】

光を入力する入力部と、
前記入力部からの光を分岐する分岐部と、
前記分岐部にて分岐された、前記第１の光導波路である、往路側の２本の第１の光導波路と、
前記往路側の２本の第１の光導波路に電気信号を印加する電極と、
前記電気信号に応じて前記往路側の２本の第１の光導波路で変調した各光を合波する合波部と、
前記合波部からの変調後の光を通過する前記第２の光導波路と、
前記第２の光導波路からの変調後の光を通過する、前記第１の光導波路である復路側の第１の光導波路と、
前記復路側の第１の光導波路からの変調後の光を出力する出力部と、を有し、
前記往路側の２本の第１の光導波路及び前記復路側の第１の光導波路のコアは、
前記第２の光導波路のコアに比較して厚くしたことを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の光デバイス。

【請求項6】

前記入力部及び前記出力部のコアは、
前記第２の光導波路のコアに比較して厚くし、
前記分岐部及び前記合波部のコアの厚さは、
前記第２の光導波路のコアと同一にしたことを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。

【請求項7】

前記分岐部内の第１のカプラ内のコア及び前記合波部内の第２のカプラ内のコアは、
前記第１の光導波路のコアの厚さに比較して薄く、前記第２の光導波路のコアの導波路幅に比較して太くしたことを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。

【請求項8】

前記入力部及び前記出力部のコアは、
前記往路側の２本の第１の光導波路のコアに比較して厚くしたことを特徴とする請求項５～７の何れか一つに記載の光デバイス。

【請求項9】

光を入力する入力部と、
前記入力部からの光を分岐する分岐部と、
前記分岐部にて分岐された、前記第１の光導波路である往路側の２本の第１の光導波路と、
前記往路側の２本の第１の光導波路に電気信号を印加する電極と、
前記往路側の２本の第１の光導波路と接続し、前記電気信号に応じて前記往路側の２本の第１の光導波路で変調した光が通過する前記第２の光導波路と、
前記第２の光導波路と接続する、前記第１の光導波路である復路側の２本の第２の光導波路と、
前記復路側の２本の第１の光導波路を通過する変調後の光を合波する合波部と、
前記合波部にて合波した変調後の光を出力する出力部と、を有し、
前記往路側の２本の第１の光導波路及び前記復路側の２本の第１の光導波路のコアは、
前記第２の光導波路のコアに比較して厚くしたことを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の光デバイス。

【請求項10】

光を入力する入力部と、
前記入力部からの光を分岐する分岐部と、
前記分岐部にて分岐された、前記第１の光導波路である往路側の２本の第１の光導波路と、
前記往路側の２本の第１の光導波路と接続する前記第２の光導波路と、
前記第２の光導波路と接続する、前記第１の光導波路である復路側の２本の第２の光導波路と、
前記往路側の２本の第１の光導波路及び前記復路側の２本の第１の光導波路に印加する電極と、
前記復路側の２本の第１の光導波路を通過する変調後の光を合波する合波部と、
前記合波部にて合波した変調後の光を出力する出力部と、を有し、
前記往路側の２本の第１の光導波路及び前記復路側の２本の第１の光導波路のコアは、
前記第２の光導波路のコアに比較して厚くしたことを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の光デバイス。

【請求項11】

光を入力する入力部と、
前記入力部からの光を分岐する分岐部と、
前記分岐部にて分岐された、前記第１の光導波路である往路側の２本の第１の光導波路と、
前記往路側の２本の第１の光導波路に第１の電気信号を印加する第１の電極と、
前記往路側の２本の第１の光導波路と接続し、前記第１の電気信号に応じて前記往路側の２本の第１の光導波路で変調した光が通過する前記第２の光導波路と、
前記第２の光導波路と接続する、前記第１の光導波路である復路側の２本の第１の光導波路と、
前記復路側の２本の第１の光導波路に第２の電気信号を印加する第２の電極と、
前記復路側の２本の第１の光導波路と接続し、前記第２の電気信号に応じて前記復路側の２本の第１の光導波路で変調した光を通過する変調後の光を合波する合波部と、
前記合波部にて合波した変調後の光を出力する出力部と、を有し、
前記往路側の２本の第１の光導波路及び前記復路側の２本の第１の光導波路のコアは、
前記第２の光導波路のコアに比較して厚くしたことを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の光デバイス。

【請求項12】

光を入力する入力部と、
前記入力部からの光を分岐する第１の分岐部と、
前記第１の分岐部にて分岐された光を分岐する第２の分岐部と、
前記第２の分岐部にて分岐された、前記第１の光導波路である前段の往路側の２本の第１の光導波路と、
前記前段の往路側の２本の第１の光導波路に第１の電気信号を印加する第１の電極と、
前記前段の往路側の２本の第１の光導波路と接続し、前記第１の電気信号に応じて前記前段の往路側の２本の第１の光導波路で変調した光が通過する、前記第２の光導波路である前段の第２の光導波路と、
前記前段の第２の光導波路と接続する、前記第１の光導波路である前段の復路側の２本の第１の光導波路と、
前記前段の復路側の２本の第１の光導波路に第２の電気信号を印加する第２の電極と、
前記前段の復路側の２本の第１の光導波路と接続し、前記第２の電気信号に応じて前記前段の復路側の２本の第１の光導波路で変調した光を通過する変調後の光を合波する第１の合波部と、
前記第１の合波部と接続し、前記第１の合波部からの光が通過する、前記第２の光導波路である中段の第２の光導波路と、
前記中段の第２の光導波路と接続する、前記第１の光導波路である後段の往路側の２本の第１の光導波路と、
前記後段の往路側の２本の第１の光導波路に第３の電気信号を印加する第３の電極と、
前記後段の往路側の２本の第１の光導波路と接続し、前記第３の電気信号に応じて前記後段の往路側の２本の第１の光導波路で変調した光を通過する変調後の光を合波する第２の合波部と、
前記第２の合波部と接続し、前記第２の合波部からの光が通過する、前記第２の光導波路である後段の第２の光導波路と、
前記後段の第２の光導波路と接続する、前記第１の光導波路である後段の復路側の第１の光導波路と、
前記後段の復路側の第１の光導波路と接続し、前記後段の復路側の第１の光導波路からの光を出力する出力部と、を有し、
前記前段の往路側の２本の第１の光導波路、前記前段の復路側の２本の第１の光導波路、前記後段の往路側の２本の第１の光導波路及び前記後段の復路側の第１の光導波路のコアは、
前記前段の第２の光導波路、前記中段の第２の光導波路及び前記後段の第２の光導波路のコアに比較して厚くしたことを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の光デバイス。

【請求項13】

電気信号に対する信号処理を実行するプロセッサと、
光を発生させる光源と、
前記プロセッサから出力される電気信号を用いて、前記光源から発生する光を変調する光デバイスとを有し、
前記光デバイスは、
Ｘカット又はＹカットの薄膜ＬＮ（Lithium Niobate）層と、
前記薄膜ＬＮ層の結晶軸のＺ方向と略直交する方向に沿って前記薄膜ＬＮ層に形成された第１の光導波路と、
前記第１の光導波路に接続する引き回しの第２の光導波路と、を有し、
前記第１の光導波路のコアの少なくとも一部は、
前記第２の光導波路のコアに比較して厚くしたことを特徴とする光通信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光デバイス及び光通信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、光変調器のような光デバイスは、表面の光導波路上に信号電極が配置され、信号電極に電圧が印加されると、光変調器の表面に対して垂直方向の電界が光導波路内に発生する。この電界によって光導波路の屈折率が変化するため、光導波路を伝搬する光の位相が変化し、光を変調することが可能となる。すなわち、光変調器の光導波路は、例えば、マッハツェンダ干渉計を構成し、平行に配置された複数の光導波路間の光の位相差により、例えば、ＸＹ偏波多重されるＩＱ信号を出力することができる。

【0003】

図１８は、光変調器１００の構成の一例を示す平面模式図、図１９は、図１８に示すＥ－Ｅ線断面部位の一例を示す略断面図である。図１８に示す光変調器１００は、入力部１０１と、分岐部１０２と、２本の光導波路１０３と、電極部１０４と、合波部１０５と、出力部１０６とを有する。尚、光変調器１００の長さ方向をＹ方向、幅方向をＺ方向、厚さ方向をＸ方向とする。

【0004】

入力部１０１は、光ファイバからの光を入力する。分岐部１０２は、入力部１０１からの光を分岐する。２本の光導波路１０３は、平行に配置され、分岐部１０２で分岐された各光を変調する光導波路である。電極部１０４は、２本の光導波路１０３に電気信号を印加する電極である。電極部１０４は、一対の接地電極１０４Ｂと、一対の接地電極１０４Ｂに挟まれるように配置された信号電極１０４Ａとを有する。信号電極１０４Ａは、光導波路１０３に電気信号を印加する電極である。接地電極１０４Ｂは、光導波路１０３に印加された電気信号を接地する電極である。各光導波路１０３は、信号電極１０４Ａからの電気信号に応じて光屈折率を変化させることで光の位相を変化して光を変調する、マッハツェンダ（ＭＺ）の相互作用部である。そして、各光導波路１０３は、変調後の光を合波部１０５に出力する。合波部１０５は、各光導波路１０３からの変調後の光を合波する。出力部１０６は、合波部１０５からの変調後の光を光ファイバに出力する。

【0005】

図１９に示す光変調器１００は、基板１１１と、基板１１１上に積層された中間層１１２と、中間層１１２に積層されたＬＮ（LiNbO₃）材料の薄膜ＬＮ基板１１３とを有する。更に、光変調器１００は、薄膜ＬＮ基板１１３で形成された２本の光導波路１０３と、薄膜ＬＮ基板１１３上に形成されたバッファ層１１４と、バッファ層１１４上に形成された電極部１０４とを有する。

【0006】

基板１１１は、例えば、Ｓｉ又はＬＮ等の材料の基板である。中間層１１２は、ＬＮよりも光屈折率の低い、例えば、ＳｉＯ_２の層である。薄膜ＬＮ基板１１３は、光の閉じ込めが強く小型化が有利となる薄膜基板である。尚、薄膜ＬＮ基板１１３の結晶軸は、Ｚ方向である。

【0007】

光導波路１０３は、薄膜ＬＮ基板１１３で形成されるため、例えば、挿入損失や伝送特性の面で優れている。薄膜ＬＮ基板１１３は、Ｘカット基板であるため、構造対称性によりチャープフリー動作が可能であり、長距離伝送に適している。各光導波路１０３は、接地電極１０４Ｂと信号電極１０４Ａとの間に配置される。信号電極１０４Ａは、例えば、金や銅等の金属材料の電極である。接地電極１０４Ｂは、例えば、アルミニウム等の金属材料の電極である。バッファ層１１４は、光導波路１０３上を伝搬する光が電極部１０４で吸収されるのを防ぐために設けられる、例えば、ＳｉＯ₂の層である。

【0008】

薄膜ＬＮ基板１１３の結晶方向は、信号進行方向（Ｙ方向）と直交する幅方向（Ｚ方向）である。各光導波路１０３は、信号電極１０４Ａから接地電極１０４Ｂへの電界方向の電界に応じて光屈折率が変化する。

【0009】

図２０は、ＴＥモード及びＴＭモードの一例を示す説明図である。光導波路１０３には、光フィールドの電界の主成分の方向によって２つのモードが存在する。図２０に示すように、電界の主成分が平面方向のＴＥモードと、電界の主成分が垂直方向のＴＭモードとがある。尚、図２０中の矢印は、電界の主成分の方向、図２０中の点線の範囲は、光の分布範囲である。

【0010】

Ｘカットの薄膜ＬＮ基板１１３の光変調器１００は、図２０の（Ａ）に示すように、光導波路１０３の平面方向にＺ方向が位置するため電極部１０４から印加される電界によって変調される信号光は平面方向の電界を主成分とするＴＥモードである。従って、電界の主成分が垂直方向のＴＭモードは、光変調器１００の動作には不要なモードと言える。

【0011】

また、光変調器１００の変調効率は、電界を印加する各光導波路１０３の相互作用部の長さ、すなわち光学長の影響が大きく、変調効率を維持したまま、小型化を図るためには相互作用部を長くして相互作用部を折り返す構造が求められている。

【0012】

図２１は、折り返し構造の光変調器１００Ａの構成の一例を示す平面模式図、図２２は、図２１に示すＦ－Ｆ線断面部位及びＧ－Ｇ線断面部位の一例を示す略断面図である。尚、図１８及び図１９に示す光変調器１００と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図２１に示す光変調器１００Ａの光導波路は、往路側の光導波路１０３Ａ（１０３）と、折り返しの光導波路１０８と、復路側の光導波路１０３Ｂ（１０３）とを有する。

【0013】

往路側の光導波路１０３Ａ及び復路側の光導波路１０３Ｂは、伝搬方向（伝搬角度）が０度であるＹ方向に沿って薄膜ＬＮ基板１１３に形成された光導波路である。図２２の（Ａ）に示すＦ－Ｆ線断面部位は、往路側の光導波路１０３Ａに相当する。往路側の光導波路１０３Ａのコアの厚さはＨａ１０とする。尚、往路側の光導波路１０３Ａ及び復路側の光導波路１０３Ｂのコアの厚さは同一である。

【0014】

折り返しの光導波路１０８は、伝搬方向（伝搬角度）が０度以外、例えば、９０度であるＺ方向に沿って薄膜ＬＮ基板１１３に形成された光導波路である。図２２の（Ｂ）に示すＧ－Ｇ線断面部位は、折り返しの光導波路１０８に相当する。折り返しの光導波路１０８のコアの厚さはＨｂ１０とする。尚、往路側の光導波路１０３Ａ及び復路側の光導波路１０３Ｂのコアの厚さＨａ１０は、折り返しの光導波路１０８のコアの厚さＨｂ１０と同一とする。

【0015】

図２３Ａは、光導波路１０３のコアの厚さを１μｍとしたの場合の実効屈折率に対する伝搬角度の依存性の一例を示す説明図である。光導波路１０３のコアの厚さを１μｍとした場合、Ｘカットの薄膜ＬＮ基板１１３では、平面方向の屈折率が光導波路１０３の伝搬方向によって変化するため、ＴＥモードの実効屈折率も変化することになる。また、垂直方向の屈折率は光導波路１０３の伝搬方向によらず一定のため、ＴＭモードの実効屈折率は光導波路１０３の伝搬方向が変化してもほとんど変化がない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】特開２００７－２６４４８７号公報

【特許文献2】特開２０１１－１０２８９１号公報

【特許文献3】国際公開第２０１８／０３１９１６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

光変調器１００Ａでは、光導波路１０３の伝搬角度としてＹ方向を０度、Ｚ方向を９０度とした場合、図２３Ａに示すように、光導波路１０３の伝搬角度が９０度に近づくに連れてＴＥモードの実効屈折率が高くなる。従って、光変調器１００Ａでは、光導波路１０３のコアを厚くした場合、ＴＥモードの実効屈折率とＴＭモードの実効屈折率とが一致する伝搬角度が発生する。その結果、信号光のＴＥモードが不要光のＴＭモードに変換されて、ＴＥモードに対して不要なＴＭモードがクロストークとなる。

【0018】

そこで、光導波路１０３のコアの厚さを薄くした場合、ＴＭモードに対するクロストークを抑制できる。図２３Ｂは、光導波路１０３のコアの厚さを０．４μｍとした場合の実効屈折率に対する伝搬角度の依存性の一例を示す説明図である。光導波路１０３のコアの厚さを、例えば、０．４μｍとした場合、ＴＥモードの実効屈折率とＴＭモードの実効屈折率とが一致する伝搬角度が発生しないため、ＴＥモードに対するクロストークを抑制できる。

【0019】

しかしながら、光変調器１００Ａでは、クロストークを抑制する上で光導波路１０３のコアの厚さを薄くした場合、薄膜ＬＮ基板１１３への光の閉じ込めが弱くなる。図２４は、光導波路１０３のコアの厚さに応じて変調効率の変化の一例を示す説明図である。光変調器１００Ａでは、光導波路１０３のコアの厚さを薄くした場合、薄膜ＬＮ基板１１３への光の閉じ込めが弱くなるため、変調効率が劣化することになる。図２５は、光導波路１０３のコアの厚さに応じて結合効率の変化の一例を示す説明図である。光変調器１００Ａでは、光導波路１０３のコアの厚さを薄くした場合、薄膜ＬＮ基板１１３への光の閉じ込めが弱くなるため、コアの厚さが薄くしたことによる光モードフィールドの縮小による光ファイバとの結合効率が劣化することになる。従って、光変調器１００Ａでは、ＴＥモードに対するクロストークの抑制と、変調効率及び結合効率の改善とがトレードオフの関係にある。

【0020】

開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、クロストークを抑制しながら、変調効率及び結合効率の向上を図る光デバイス等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】

【0021】

本願が開示する光デバイスは、１つの態様において、薄膜ＬＮ（Lithium Niobate）層と、第１の光導波路と、第２の光導波路とを有する。薄膜ＬＮ層は、Ｘカット又はＹカットのＬＮ層である。第１の光導波路は、薄膜ＬＮ層の結晶軸のＺ方向と略直交する方向に沿って薄膜ＬＮ層に形成された光導波路である。第２の光導波路は、第１の光導波路に接続する引き回しの光導波路である。第１の光導波路のコアの少なくとも一部は、第２の光導波路のコアに比較して厚くした。

【発明の効果】

【0022】

本願が開示する光デバイス等の１つの態様によれば、クロストークを抑制しながら、変調効率及び結合効率の向上を図る。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、実施例１の光通信装置の構成の一例を示すブロック図である。

【図2】図２は、実施例１の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図3】図３は、図２に示すＡ－Ａ線断面部位及びＢ－Ｂ線断面部位の一例を示す略断面図である。

【図4】図４は、接合部位の一例を示す説明図である。

【図5】図５は、実施例２の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図6】図６は、図５に示すＡ－Ａ線断面部位及びＢ－Ｂ線断面部位の一例を示す略断面図である。

【図7】図７は、図５に示すＡ－Ａ線断面部位及びＢ－Ｂ線断面部位の変形例を示す略断面図である。

【図8】図８は、実施例３の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図9A】図９Ａは、接合部の一例を示す説明図である。

【図9B】図９Ｂは、接合部の一例を示す説明図である。

【図10】図１０は、実施例４の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図11】図１１は、実施例５の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図12】図１２は、図１１に示すＣ－Ｃ線断面部位の一例を示す略断面図である。

【図13】図１３は、実施例６の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図14】図１４は、実施例７の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図15】図１５は、実施例８の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図16】図１６は、実施例９の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図17】図１７は、図１６に示すＡ－Ａ線断面部位、Ｂ－Ｂ線断面部位及びＤ－Ｄ線断面部位の一例を示す略断面図である。

【図18】図１８は、光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図19】図１９は、図１８に示すＥ－Ｅ線断面部位の一例を示す略断面図である。

【図20】図２０は、ＴＥモード及びＴＭモードの一例を示す説明図である。

【図21】図２１は、折り返し構造の光変調器の構成の一例を示す平面模式図である。

【図22】図２２は、図２１に示すＦ－Ｆ線断面部位及びＧ－Ｇ線断面部位の一例を示す略断面図である。

【図23A】図２３Ａは、光導波路のコアの厚さを１μｍとした場合の実効屈折率に対する伝搬角度の依存性の一例を示す説明図である。

【図23B】図２３Ｂは、光導波路のコアの厚さを０．４μｍとした場合の実効屈折率に対する伝搬角度の依存性の一例を示す説明図である。

【図24】図２４は、光導波路のコアの厚さに応じて変調効率の変化の一例を示す説明図である。

【図25】図２５は、光導波路のコアの厚さに応じて結合効率の変化の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本願が開示する光デバイス等の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

【実施例0025】

図１は、実施例１の光通信装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す光通信装置１は、出力側の光ファイバ２Ａ（２）及び入力側の光ファイバ２Ｂ（２）と接続する。光通信装置１は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）３と、光源４と、光変調器５と、光受信器６とを有する。ＤＳＰ３は、デジタル信号処理を実行する電気部品である。ＤＳＰ３は、例えば、送信データの符号化等の処理を実行し、送信データを含む電気信号を生成し、生成した電気信号を光変調器５に出力する。また、ＤＳＰ３は、受信データを含む電気信号を光受信器６から取得し、取得した電気信号の復号等の処理を実行して受信データを得る。

【0026】

光源４は、例えば、レーザダイオード等であって、所定の波長の光を発生させて光ファイバ４Ａを通じて光変調器５及び光受信器６へ供給する。光変調器５は、ＤＳＰ３から出力される電気信号によって、光源４から供給される光を変調し、得られた光送信信号を光ファイバ２Ａに出力する光デバイスである。光変調器５は、例えば、ＬＮ（Lithium Niobate：ニオブ酸リチウム）の光導波路とコプレーナ（ＣＰＷ：Coplanar Waveguide）構造の信号電極とを備えるＬＮ光変調器等の光デバイスである。

【0027】

光受信器６は、光ファイバ２Ｂから光信号を受信し、光源４から供給される光を用いて受信光信号を復調する。そして、光受信器６は、復調した受信光信号を電気信号に変換し、変換後の電気信号をＤＳＰ３に出力する。

【0028】

図２は、実施例１の光変調器５の構成の一例を示す平面模式図である。図２に示す光変調器５は、入力部１１と、分岐部１２と、往路側の２本の第１の光導波路１３Ａ（１３）と、電極部１４と、合波部１５と、第２の光導波路１６と、復路側の第１の光導波路１３Ｂ（１３）と、出力部１７とを有する。尚、光変調器５の長さ方向（伝搬方向）をＹ方向、幅方向（平面方向）をＺ方向、厚さ方向をＸ方向とする。

【0029】

入力部１１は、光ファイバ４Ａからの光を入力する。尚、光ファイバ４Ａからの光は、光源４からの光である。分岐部１２は、入力部１１からの光を分岐する。往路側の２本の第１の光導波路１３Ａは、平行に配置され、分岐部１２にて分岐された各光を変調する、マッハツェンダ（ＭＺ）の相互作用部の光導波路である。往路側の２本の第１の光導波路１３Ａは、例えば、コアと、コアの両脇にコアの厚さよりも薄いスラブとを有するリッジ型導波路である。往路側の２本の第１の光導波路１３Ａは、後述する薄膜ＬＮ層３３の結晶軸のＺ方向と略直交する方向、例えば、Ｙ方向に沿って薄膜ＬＮ層３３に形成された光導波路である。

【0030】

電極部１４は、往路側の２本の第１の光導波路１３Ａに電気信号を印加する電極である。往路側の２本の第１の光導波路１３Ａは、電極部１４からの電気信号に応じて光屈折率が変化して光を変調し、各変調後の光を合波部１５に出力する。電極部１４は、信号電極１４Ａと、一対の接地電極１４Ｂとを有する。信号電極１４Ａは、往路側の第１の光導波路１３Ａに電気信号を印加する電極である。接地電極１４Ｂは、往路側の第１の光導波路１３Ａに印加された電気信号を接地する電極である。往路側の２本の第１の光導波路１３Ａは、信号電極１４Ａからの電気信号に応じて光屈折率を変化させることで光の位相を変化して光を変調し、変調後の光を合波部１５に出力する。合波部１５は、往路側の２本の第１の光導波路１３Ａで変調した変調後の各光を合波する。光変調器５は、往路側の２本の第１の光導波路１３Ａと電極部１４とで変調部２０を成す。

【0031】

第２の光導波路１６は、合波部１５からの変調後の光を通過する折り返しの光導波路である。第２の光導波路１６は、Ｚ方向と略直交する方向以外の方向に沿って薄膜ＬＮ層３３に形成された直線導波路又は、伝搬方向が滑らかに変化する曲がり導波路の内、少なくとも何れか一つを含む光導波路である。

【0032】

復路側の第１の光導波路１３Ｂは、第２の光導波路１６からの変調後の光を通過する光導波路である。復路側の第１の光導波路１３Ｂは、薄膜ＬＮ層３３の結晶軸のＺ方向と略直交する方向に沿って薄膜ＬＮ層３３に形成された光導波路である。出力部１７は、光ファイバ２Ａと接続し、復路側の第１の光導波路１３Ｂからの変調後の光を光ファイバ２Ａに出力する。

【0033】

図３は、図２に示すＡ－Ａ線断面部位及びＢ－Ｂ線断面部位の一例を示す略断面図である。図３に示す光変調器５は、基板３１と、基板３１上に積層された中間層３２と、中間層３２に積層された薄膜ＬＮ層３３と、薄膜ＬＮ層３３で形成された２本の第１の光導波路１３とを有する。更に、光変調器５は、薄膜ＬＮ層３３上に積層されたバッファ層３４と、バッファ層３４上に形成された電極部１４とを有する。

【0034】

基板３１は、例えば、ＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）、ＴｉＯ₂（二酸化チタン）、Ｓｉ又はＬＮ等の材料の基板である。中間層３２は、ＬＮよりも光屈折率の低い、例えば、ＳｉＯ_２又はＴｉＯ₂の層である。薄膜ＬＮ層３３は、ＬＮ結晶の薄膜を用いた基板であって、所定箇所を上方へ突起する凸形状の第１の光導波路１３が形成される。ＬＮ材料であるため、光の閉じ込めが強く小型化が有利となる。

【0035】

薄膜ＬＮ層３３は、Ｘカットの基板である。薄膜ＬＮ層３３は、ＬＮ（LiNbO₃）材料の基板である。往路側の２本の第１の光導波路１３Ａは、薄膜ＬＮ層３３で形成され、その材料は、ＬＮであるため、例えば、挿入損失や伝送特性の面で優れている。光変調器５は、構造対称性によりチャープフリー動作が可能であり、長距離伝送に適している。

【0036】

バッファ層３４は、第１の光導波路１３を伝搬する光が電極部１４で吸収されるのを防ぐために設けられる、例えば、ＳｉＯ₂の層である。中間層３２とバッファ層３４との間には、厚さが０．５～３μｍの薄膜ＬＮ層３３が挟まれている。薄膜ＬＮ層３３に形成された凸形状の第１の光導波路１３となる突起の幅は、例えば、１～８μｍ程度である。薄膜ＬＮ層３３及び第１の光導波路１３は、バッファ層３４によって被覆されている。

【0037】

信号電極１４Ａは、例えば、金や銅等の金属材料からなり、幅が２～１０μｍ、厚みが１～２０μｍの電極である。接地電極１４Ｂは、例えば、アルミニウム等の金属材料からなり、厚みが１μｍ以上の電極である。ＤＳＰ３から出力される電気信号に応じた駆動電圧が信号電極１４Ａによって伝送されることにより、信号電極１４Ａから接地電極１４Ｂへ向かう方向の電界が発生し、この電界が第１の光導波路１３に印加される。その結果、第１の光導波路１３への電界印加に応じて第１の光導波路１３の屈折率が変化し、第１の光導波路１３を伝搬する光を変調することが可能となる。

【0038】

往路側の２本の第１の光導波路１３Ａは、薄膜ＬＮ層３３の結晶軸のＺ方向を９０度、Ｙ方向を０度とした場合、光変調器５のチップ内に形成される光導波路の内、ほぼ０度のＹ方向に沿って形成される直線の光導波路である。往路側の２本の第１の光導波路１３Ａのコアの厚さは、図３の（Ａ）に示すようにＨａとする。尚、ほぼ０度には、０度の他に、例えば、０度を狙って光導波路を製造される際に第１の光導波路１３の製造誤差の範囲、例えば、±２０度以内を含むものとする。往路側の２本の第１の光導波路１３Ａは、薄膜ＬＮ層３３の結晶軸のＺ方向と略直交する方向に沿って薄膜ＬＮ層３３に形成されるため、第２の光導波路１６のコアの厚さＨｂに比較して厚くしたので、変調効率及び結合効率を改善できる。復路側の第１の光導波路１３Ｂ、入力部１１及び出力部１７のコアの厚さも、往路側の２本の第１の光導波路１３Ａのコアと同様に、図３の（Ａ）に示すようにＸ方向の厚みをＨａとする。

【0039】

第２の光導波路１６のコアは、Ｚ方向に直交しない方向、すなわちほぼ０度のＹ方向以外の方向に沿って薄膜ＬＮ層３３に形成される光導波路とし、図３の（ｂ）に示すように、そのコアの厚さをＨｂとする。尚、Ｚ方向に直交しない方向とは、例えば、実際にＹ方向からズレる角度よりも大きく、かつ、Ｚ方向の９０度以下の範囲である。第２の光導波路１６は、Ｚ方向と略直交する方向以外の方向に沿って薄膜ＬＮ層３３に形成されるため、第１の光導波路１３の厚さＨａに比較して薄くしたので、ＴＥモードに対する不要なＴＭモードのクロストークを抑制できる。尚、分岐部１２及び合波部１５のコアも、第２の光導波路１６のコアと同一の厚さＨｂとする。尚、第２の光導波路１６、分岐部１２及び合波部１５は、第１の光導波路１３と接続する引き回しの第２の光導波路とする。

【0040】

図４は、接合部位の一例を示す説明図である。第１の光導波路１３のコアと合波部１５のコアとの間を接合する接合部位は、第１の光導波路１３のコアと合波部１５のコアとの高さが異なる。尚、合波部１５のコアは、第２の光導波路１６のコアの厚さと同一である。つまり、往路側の２本の第１の光導波路１３Ａ、復路側の第１の光導波路１３Ｂ、入力部１１及び出力部１７のコアは、第２の光導波路１６のコアに比較して厚くした。

【0041】

実施例１の光変調器５は、Ｘカットの薄膜ＬＮ層３３と、薄膜ＬＮ層３３の結晶軸のＺ方向と略直交する方向に沿って薄膜ＬＮ層３３に形成された第１の光導波路１３と、第１の光導波路１３に接続する引き回しの第２の光導波路１６と、を有する。第１の光導波路１３のコアの少なくとも一部は、第２の光導波路１６のコアに比較して厚くする。第１の光導波路１３は、結晶軸のＺ方向と略直交する方向、例えば、Ｙ方向に沿って形成されるため、そのコアは、第２の光導波路１６のコアに比較して厚くするため、変調効率及び結合効率が改善される。更に、第２の光導波路１６は、第１の光導波路１３のコアに比較して薄くするため、ＴＥモードに対する不要なＴＭモードのクロストークを抑制できる。つまり、クロストークを抑制しながら、変調効率及び結合効率を改善できる。

【0042】

第２の光導波路１６は、Ｚ方向と略直交する方向以外の方向に沿って薄膜ＬＮ層３３に形成された直線導波路又は曲がり導波路の内、少なくとも何れか一つを含む。その結果、第２の光導波路１６は、第１の光導波路１３のコアに比較して薄くするため、ＴＥモードに対する不要なＴＭモードのクロストークを抑制できる。

【0043】

尚、説明の便宜上、Ｘカットの薄膜ＬＮ層３３を例示したが、Ｙカットの薄膜ＬＮ層を使用した光変調器５でも良い。光変調器５は、Ｙカットの薄膜ＬＮ層３３と、薄膜ＬＮ層の結晶軸のＺ方向と略直交する方向に沿って薄膜ＬＮ層３３に形成された第１の光導波路１３と、第１の光導波路１３に接続する引き回しの第２の光導波路１６とを有する。そして、第１の光導波路１３のコアの少なくとも一部は、第２の光導波路１６のコアに比較して厚くする構造にした。その結果、第１の光導波路１３は、結晶軸のＺ方向と略直交する方向、例えば、Ｙ方向に沿って形成されるため、そのコアは、第２の光導波路１６のコアに比較して厚くするため、変調効率及び結合効率が改善される。更に、第２の光導波路１６は、第１の光導波路１３のコアに比較して薄くするため、ＴＥモードに対する不要なＴＭモードのクロストークを抑制できる。つまり、クロストークを抑制しながら、変調効率及び結合効率を改善できる。

【0044】

第１の光導波路１３と第２の光導波路１６との間を接合する接合部位には、コアの一部を厚さＨｂでほぼ０度方向に沿って形成される光導波路が含まれるようにしても良い。

【0045】

第１の光導波路１３内のコアの厚さは、全長にわたってＨａにしなくても、一部のコアの厚さをＨａにしても良く、適宜変更可能である。第２の光導波路１６内のコアの厚さも、全長にわたってＨｂにしなくても良く、一部のコアの厚さをＨｂにしても良い。

【0046】

第１の光導波路１３と接続する引き回しの光導波路として、第２の光導波路１６、分岐部１２及び合波部１５を例示したが、これに限定されるものではなく、適宜変更可能である。

【0047】

尚、実施例１の第１の光導波路１３及び第２の光導波路１６はリッジ型導波路で構成する場合を例示したが、これに限定されるものではなく、その実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。

【実施例0048】

図５は、実施例２の光変調器５Ａの構成の一例を示す平面模式図である。尚、実施例１の光変調器５と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。図６は、図５に示すＡ－Ａ線断面部位及びＢ－Ｂ線断面部位の一例を示す略断面図である。光変調器５ＡのＡ－Ａ線断面部位は、往路側の第１の光導波路１３Ａの部位である。往路側の第１の光導波路１３Ａは、リッジ型導波路である。Ｂ－Ｂ線断面部位は、第２の光導波路１６の部位である。第２の光導波路１６Ａ（１６）は、チャネル導波路である。チャネル導波路は、図６の（Ｂ）に示すような光導波路のコアが四角形の断面形状である。

【0049】

往路側の２本の第１の光導波路１３Ａ、入力部１１、復路側の第１の光導波路１３Ｂ及び出力部１７のコアは、リッジ型導波路であって、コアの厚さはＨａとする。第２の光導波路１６Ａ、分岐部１２及び合波部１５のコアは、チャネル導波路であって、コアの厚さはＨｂとする。つまり、往路側の２本の第１の光導波路１３Ａ、復路側の第１の光導波路１３Ｂ、入力部１１及び出力部１７のコアは、第２の光導波路１６Ａのコアに比較して厚くした。

【0050】

実施例２の光変調器５Ａは、往路側の第１の光導波路１３Ａ及び復路側の第１の光導波路１３Ｂをリッジ型導波路とし、第２の光導波路１６Ａをチャネル導波路とする。更に、光変調器５Ａは、往路側の第１の光導波路１３Ａ及び復路側の第１の光導波路１３Ｂのコアの厚さを第２の光導波路１６Ａのコアの厚さに比較して厚くした。その結果、第１の光導波路１３は、結晶軸のＺ方向と略直交する方向、例えば、Ｙ方向に沿って形成されるため、そのコアは、第２の光導波路１６Ａのコアに比較して厚くするため、変調効率及び結合効率が改善される。更に、第２の光導波路１６Ａは、第１の光導波路１３のコアに比較して薄くするため、ＴＥモードに対する不要なＴＭモードのクロストークを抑制できる。つまり、クロストークを抑制しながら、変調効率及び結合効率を改善できる。

【0051】

尚、説明の便宜上、第１の光導波路１３をリッジ型導波路、第２の光導波路１６Ａをチャネル導波路にする場合を例示したが、第１の光導波路１３をチャネル導波路、第２の光導波路１６Ａをリッジ型導波路にしても良く、適宜変更可能である。

【0052】

図７は、図５に示すＡ－Ａ線断面部位及びＢ－Ｂ線断面部位の変形例を示す略断面図である。Ａ－Ａ線断面部位の第１の光導波路１３は、リッジ型導波路であって、コアの断面形状が四角形ではなく、図７の（Ａ）に示すように、コアの断面形状を所定傾斜角の側壁面を有するコアにしても良い。コアの側壁面の傾斜角は、例えば、約８０度である。

【0053】

Ｂ－Ｂ線断面部位の第２の光導波路１６Ａは、チャネル導波路であって、コアの断面形状が四角形ではなく、図７の（Ｂ）に示すように、コアの断面形状を所定傾斜角の側壁面を有するコアにしても良い。コアの側壁面の傾斜角は、例えば、約８０度である。

【0054】

尚、実施例２では、第２の光導波路１６Ａのコアをチャネル導波路で構成する場合を例示したが、第２の光導波路１６Ａのコアをチャネル導波路やリッジ型導波路に混在させても良く、適宜変更可能である。第１の光導波路１３のコアをチャネル導波路やリッジ型導波路に混在させても良い。

【0055】

実施例１の第１の光導波路１３のコアと第２の光導波路１６（合波部１５）のコアとの間を接合する接合部位では、第１の光導波路１３のコアと第２の光導波路１６（合波部１５）のコアとの厚さが異なるため、図４に示すように段差Ｘ１が発生する。接合部位では、第１の光導波路１３のコアと第２の光導波路１６（合波部１５）のコアとの間に段差Ｘ１が生じるため、結合効率が劣化する。そこで、このような事態に対処すべく、その実施の形態につき、実施例３として以下に説明する。