CN101128768A - 光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对在三维光波导(5)中传播的光施加电压来调制该光的光调制器。光调制器具有：三维光波导(5)，其含有至少一对分支光波导(5c)、(5d)，分支光波导的合波部(5e)以及该合波部下游侧的出射部(5f)；调制用电极(3A、3B、4)，其用于施加对在三维光波导(5)中传播的光进行调制的信号电压；以及1次模式光导向波导(6A、6B)，其对来自合波部的1次模式光进行导向。至少在调制用电极下基板的厚度是20μm以下，根据来自导向波导的光输出，使施加到调制用电极的直流偏压变化，由此可控制光调制器的工作点。

Description

光调制器

技术领域

本发明涉及一种使用了所谓马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)型光波导的光调制器。

背景技术

使用了马赫-曾德尔型光波导的行波(travelling wave)型高速光调制器，因为波长频带宽而能得到低频扰(low chirp)特性而受到关注。在该类型的光调制器中，使一对分支型光波导分别传播光，并使来自各分支光波导的输出在合波部合流。可是在一对分支型光波导之间，由于温度差等原因有时会产生工作点偏移(shift)，还有时会产生所谓DC漂移(drift)。一般，马赫-曾德尔(MZ)型LN光调制器，由于温度漂移、DC漂移、以及应力等的经时变化使工作点偏移。这导致消光系数恶化，在使调制器工作方面是重要的课题。

提出了几个对这样的工作点偏移及DC漂移进行控制的方法。其中有代表性的是，在特开平3-145623号公报记载的方法中，着眼于从一对分支型光波导的合波部向基板内部放射的基板放射模式的光。即，在接通模式(on mode)的情况下在波导内传播入射到光波导的光，并从波导的端面射出。关断模式(off mode)的光，作为基板放射模式的光从光波导向基板内部进行放射。在基板的端面上安装光纤，来接收基板放射模式的光，并通过光检测器来检测来自该光纤的出射光。利用来自光检测器的输出信号，变更从调制用电极向光波导施加的电压的直流偏压，调节光调制器的工作点。

可是此时，因为在出射端面放射光向基板内部扩散，所以放射光的光强小，另外，通过光纤来调整(alignment)放射光是非常困难的。因此，稳定地进行光调制器的工作点控制成为了课题。

为了解决此问题，在申请号为9-32489的文献中，具有对从光波导放射或者泄漏的光进行导向的导光部，使从导光部出射的光与从光波导泄漏的信号光干涉来生成干涉光，通过监控该干涉光控制直流偏压。

另外，本申请人开发了薄板构造的光调制器，在本构造中，作为高效地进行漂移的工作点控制的方法公开了专利2002-328683。减薄为20μm以下的基板，作为具有有限横幅(基板横方向的宽度)的平板波导(通常在器件构造设计上，将横幅作为无限大来对待)来工作，所以在Y分支合波部中产生的横方向1次模式光为平板模式，以低损耗在薄板基板中传播。该平板模式光与现有调制器不同，因为集中在薄板基板中(平板波导)，所以就可以得到足够的放射光强。

我们发现：在薄板型调制器的情况下，在Y分支的合波部发生的放射光作为光波导的1次模式光来进行传播，并试着利用该1次模式光来进行监控，并控制直流偏压。可是1次模式光，对于信号光峰值间距离为10μm至100μm以下，因此将1次模式光作为监控光与信号光分离并取出是困难的。

发明内容

本发明的课题是：在将1次模式光作为监控光利用并在光检测单元中取出，并根据该光信号进行偏置电压的反馈控制时，可从信号光中高效地分离1次模式光，减少1次模式光的损失来进行良好的控制。

本发明是一种光调制器，其用于对在三维光波导中传播的光施加电压来调制该光，其特征在于，具有：由强电介质性材料构成的基板；三维光波导，其含有至少一对分支光波导、分支光波导的合波部以及该合波部下游侧的出射部；调制用电极，其用于施加对在三维光波导中传播的光进行调制的信号电压；以及1次模式光导向波导，其对来自合波部的1次模式光进行导向，至少在调制用电极下基板的厚度是20μm以下，根据来自导向波导的光输出，使施加到调制用电极的直流偏压变化，由此可控制光调制器的工作点。

本发明人发现了：当基板厚度变薄时，因为在厚度方向存在低电介质常数层或者空气层，所以对基板内的封闭变强，这样可以最大限度地降低光波导的弯曲损失。例如，图6是在波长1.55μm、波导的曲率半径5mm时的对于LN基板厚度的1次模式光的光损失的计算结果。由此结果可知，即使使光波导弯曲，在基板厚度为20μm以下时光损失为10dB以下，在实际动作上也会达到不造成问题的水平。显然，通过将光波导的曲率半径变大可进一步实现低损失化，再者，即使在曲率半径为1mm的情况下，在基板厚度为10μm时可将光损失做到10dB以下。

本发明人，考虑到：根据这样的发现，在传播信号光的三维光波导的合波部附近设置用于传播1次模式光的导向波导，使之与信号光分离地传播1次模式光。并且，发现：1次模式光的光接收点，根据上述理由离信号光的光接收点加大，可容易地控制光调制器的工作点，达到了本发明的目的。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的光调制器1的平面图。

图2(a)是图1的∏a-∏a线截面图，图2(b)是图1的∏b-∏b线截面图。

图3是示意地表示图1的光调制器的反馈机构的图。

图4是表示本发明其它实施方式的光调制器1A的平面图。

图5是表示各导向(guide)波导的边缘(edge)与合波部5e的结合部分的平面图。

图6是表示基板厚与光损失的关系的曲线图。

图7是表示与导向波导的信号光出射部的距离和光损失的关系的曲线图。

图8是表示信号光出射部的宽度与光损失以及串扰(crosstalk)的关系的曲线图。

图9是表示信号光出射部的宽度与光损失以及串扰的关系的曲线图。

图10是表示光调制器1的信号光出射部5f与导向波导的平面位置关系的图。

图11是表示光调制器1A的信号光出射部5f与导向波导的平面位置关系的图。

具体实施方式

以下，一边适当地参照例式附图一边对本发明进行更加详细的说明。

图1是本发明一实施方式的光调制器1的平面图，图2(a)是图1的∏a-∏a线截面图，图2(b)是图1的∏b-∏b线截面图。

在此实施方式的光调制器件8中，在支撑基板7的表面上经由未图示的粘着剂层或者直接粘着光调制器1的基板2的底面。在光调制器1的表面侧形成马赫-曾德尔型三维光波导5和调制用电极3A、3B、4。光波导5具有：入射部5a、一对分支光波导5c、5d以及出射部5f。5b是分支点，5e是合波部。因为传播光波导5的光的控制方法及调制用电极的结构是公知的，所以省略说明。

信号光从三维光波导的出射部5f的端面出射。例如图3所示，通过在光调制器1的出射侧端面安装光纤阵列9，利用光纤10来传输信号光。

另一方面，1次模式光从合波部5e附近射出。这里，使一对1次模式光导向波导6A、6B的边缘位于合波部5e的附近。在本例中，在合波部5f的两侧分别配置1次模式光导向波导6A、6B。各导向波导是通道光波导。

各导向波导6A、6B具有：在合波部5e附近存在边缘的导入部6a、弯曲部分6b、6c以及射出部6d。各导向波导的各射出部6d在光调制器的端面露出，一方的导向波导的射出部6d与光传输部件11连接。作为这样做成的光传输部件，最理想的是光纤。在本例中，通过设置弯曲部分6b、6c可以使导入部6a位于合波部5e的附近，并且可使光接收用的射出部6d形成在与信号光出射部5f充分离开的位置。

在本例中，可将导向波导的出射部6d和信号光出射部5f做成大致平行。此外，导向波导的出射部与信号光用出射部5f的间隔L，从在光接收时提高监控光和信号光的SN这样的观点来看，理想的是120μm以上，更理想的是240μm以上。

光传输部件11与光接收元件连接，光接收元件将接收到的光转换为电信号，向自动偏压控制电路12传输。在自动偏压控制电路12中，根据1次模式光的信息计算适当的直流偏压值，向直流偏置设备(bias tee)电路13如箭头A所示地传输控制信号，并根据需要变更直流偏压值。

在图4的光调制器1A中，使一对1次模式光导向波导6C、6D的边缘位于合波部5e的附近。在本例中，在合波部5f的两侧分别配置1次模式光导向波导。各导向波导是通道光波导。

各导向波导6C、6D具有：在合波部5e附近存在边缘的导入部6e、向外侧弯曲的各弯曲部分6f以及射出部6g。各导向波导的各射出部6g在光调制器的侧面露出，一方的导向波导的射出部6g与设置在侧面的光接收元件14相对。在本例中，通过设置弯曲部分6f可以使导入部6e位于合波部5e的附近，并且使光接收用的射出部6g位于基板的侧面。

光接收元件14，将接收到的光转换为电信号，通过电线向自动偏压控制电路12传输。在自动偏压控制电路12中，根据1次模式光的信息计算适当的直流偏压值，向直流偏置电路13如箭头A所示地传输控制信号，并根据需要变更直流偏压值。

在光检测器中，最理想的是测定光强度，但是还可以测定光的相位及波长。另外，不限定光检测器的种类。例如，在用10Gb/s的电信号进行光的调制时，为了检测使用具有充分的频带宽度的、应答速度快的InGaAs系列的光检测器等。

不限定合波部的形态。各分支光波导可以在合波部中相交，也可以空间上地分离。但是，在合波部中需要能汇合在各分支光波导中传播的光能量。

另外，分支光波导需要一对，不过也可以存在多对。也可以是所谓级联(cascade)型的光波导。

三维光波导、导向波导可以用质子交换法、钛内溅射法、金属离子溅射法来形成，或者利用机械加工及激光切除加工去除基板的表面，由此可以形成山脊型的三维光波导。

在最佳的实施方式中，三维光波导、导向波导，是从基板2突出的山脊型光波导路。这样的三维光波导可以用上述方法形成。或者，在平板型光波导的表面，利用例如化学气相成长法、物理气相成长法、有机金属化学气相成长法、真空技术法、液相外延法来形成高折射率膜，并对该高折射率膜进行机械加工及激光切除加工，由此可以形成山脊型的三维光波导。

构成光调制器的基板的材料可以是强电介质性单晶体、玻璃、光学树脂等可透过光的材料。其中，最理想的是强电介质性单晶体，例如，可以举出：铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸锂钾、钽酸锂钾、铌酸锂钾-钽酸锂钾固溶体、KTP。

在最佳实施方式中，具有粘着支撑基板和光调制器的粘着剂层。作为构成支撑基板的材料可以恰当地使用如前所述的强电介质性单晶体、玻璃、树脂。作为粘着剂最理想的是玻璃及树脂。

作为上述玻璃，最理想的是低电介质常数且粘着温度(作业温度)为约600℃以下。另外，最理想的是在加工时能得到充分的粘着强度。具体来说，最理想的是组合多个氧化硅、氧化铅、氧化硼等组成的所谓焊接用玻璃(solderglass)。作为上述树脂，最理想的是室温硬化、加热硬化、紫外线硬化型树脂，理想的是低电介质常数的树脂。实际上，环氧系列、丙烯系列、氨基甲酸乙酯系列的树脂最理想。

图5是扩大表示1次模式光导向波导和合波部5e的连接部分的示意图。这里，所谓on光是信号光，所谓off光是用于反馈控制的1次模式光。从出射部5f的中心轴X到导向波导6C(或者6A、6B、6D)的距离Sx，只要是可移动光能量就没有特别地限定，但是从抑制光能量移动时的损失这样的观点来看，理想的是100μm以下，更理想的是50μm以下。另外，为了防止信号光和1次模式光的串扰及消光系数的恶化，理想的是10μm以上，更理想的是15μm以上。

1次模式用的光波导，理想的是配置为其中心位置与一次模式光的中心位置相一致，根据这个观点理想的是将Sx做成10μm～100μm，更理想的是做成10μm～50μm。

在电极部分的基板厚度为20μm以下，不过根据降低导向波导弯曲部分的损失的观点，更理想的是15μm以下，最理想的是10μm以下。另外，与此相同，当在光波导中存在弯曲部分的情况下，弯曲部分的基板厚度理想的是20μm以下，更理想的是15μm以下，最理想的是10μm以下。

另外，理想的是在用于传播信号光的射出部5f的两侧设有1次模式光导向波导。由此可以使1次模式光完全远离信号光的旁边，除去此前OFF光耦合到了出射侧地光纤的不需要成分，可飞跃性地改善消光系数。

在最佳实施方式中，导向波导具有弯曲部分。通过将光调制器基板的厚度设为20μm以下，可以显著降低弯曲部分的损失，由此，为了使1次模式光的出射部分和信号光的出射部分充分离开，可进行使导向波导弯曲的设计

这里，根据抑制导向波导的光损失这样的观点，理想的是将弯曲部分的曲率半径R设为1mm以上，更理想的是设为2mm以上。另一方面，根据使导向波导尽量大地弯曲、将1次模式光的出射部与信号光的出射部的间隔变大这样的观点，理想的是将弯曲部分的曲率半径R设为30mm以下，更理想的是设为15mm以下。

实施例

(实施例1)

根据参照图1、2、3说明过的方法，制成图1的光调制器1进行了试验。具体来说，使用由X切割过(cut)的3英寸晶晶圆(LiNbO3单晶体)构成的基板，通过钛溅射工序和照相平版法来在晶圆表面形成马赫-曾德尔型的光波导5。接着，利用电镀工序形成CPW电极。将中心电极4与接地电极3A、3C的间隙(gap)做成25μm，电极厚度做成20μm，电极长做成32mm。然后为了薄型研磨在研磨定盘上贴付研磨伪(dummy)基板，在该基板上用热可塑性树脂电极面朝下地贴付调制器基板。此外，用横型研磨以及抛光(polishing)(CMP)将基板主体薄型加工到8μm厚度。之后，将平板状的支撑基体7固定粘着在基板主体上，对光纤的连接部进行端面研磨，用刻模来切断芯片(chip)。连接固定用的树脂使用了树脂厚50μm的环氧树脂。在输入侧将保持了1.55μm频带panda光纤的单芯光纤阵列与行波型光调制器芯片耦合，对光纤和光波导进行调芯，并通过紫外线硬化型树脂进行粘结。

光纤阵列9中的行距(pitch)间隔设为在通常的光纤阵列中使用的250μm。希望Wti-m(参照图5)做成与光纤的心线直径相同。例如，GI光纤的情况，心线直径是50μm左右，Wti-m做成为50μm。另外，为了实现S字曲线，将弯曲部分6b、6c中的各曲率半径r做成5mm。在图10中表示各导向波导和出射部5f的位置关系。在此状态下如上所述，可以控制工作点的直流偏置电压。

(实施例2)

对参照图4、图5进行了说明的光调制器进行了研究。

具体来说，光调制器的材质及光波导的形成方法与实施例1相同。在光接收面积50μm的光电二极管中，考虑到扩展Wti-m做成30μm。另外，在导向波导弯曲部分的曲率半径r做成为5mm。λ为1.55μm，光调制器的基板厚度如图6所示地进行变更。图11表示导向波导与出射部5f地平面位置关系。各导向波导的边缘与出射部中心轴的距离Sx为20μm。

在此状态下变更基板厚度Tsub，测定了off光(1次模式光)的光损失，得到了图6所示的结果。即，如果基板厚度是20μm以下，则在导向波导弯曲部分的曲率半径小到5mm时，判明了光损失显著地被抑制在10dB以下。由此可以将导向波导的出射部从信号光的出射部5f较大地相离。

(实施例3)

与实施例2相同，进行了在导向波导中传播的1次模式光的光损失试验。其中，在本例中，将λ设为1.55μm，将光调制器基板厚度Tsub设为8μm，将钛厚度Tti设为600埃，将信号光的出射宽度Wti设为5μm，将导向波导的宽度Wti-m设为30μm。将导向波导的边缘与出射部中心轴的距离Sx、以及导向波导弯曲部分的曲率半径r如图7所示地进行了变更。

其结果，在R＝20μm以下，光损失被抑制在10dB以下。另外，即使在10μm至100μm之间将Sx进行各种变更，导向波导中的光损失也不太增加。

(实施例4)

与实施例3相同，进行了在导向波导中进行传播的1次模式光的光损失试验。其中在本例中，将λ设为了1.55μm，将光调制器基板厚度Tsub设为了8μm，将钛厚度Tti设为了600埃，将导向波导的宽度Wti-m设为了30μm。将导向波导的边缘与出射部中心轴的距离Sx设为了20μm(图8)或者15μm(图9)。将导向波导弯曲部分的曲率半径r设为了3mm。将信号光的出射部宽度Wti如图8、图9所示地进行了变更。

图8、图9表示波导的线宽度Wti为4μm、5μm、6μm的监控波导的调制器，在off时的损失和on时的损失、以及MZ波导在on时的向监控波导的串扰率。显然，即使在Sx为15μm以及20μm中，在全部的Wti宽度中监控波导在off时损失小、on时没有串扰，这样on时的MZ波导的损失也可忽略。可见，在Sx＝15μm时，随着Wti变大，监控波导在off时损失进一步减小、在on时没有串扰，这样on时的MZ波导的损失也可忽略。这就保证了MZ波导的封闭变强，所以难以与监控波导耦合。此效果在Sx＝20μm时更加显著。

Claims (6)

1.一种光调制器，其对在三维光波导中传播的光施加电压来调制该光，其特征在于，

具有：

由强电介质性材料构成的基板；

三维光波导，其含有至少一对分支光波导、所述分支光波导的合波部以及该合波部下游侧的出射部；

调制用电极，其用于施加对在所述三维光波导中传播的光进行调制的信号电压；以及

1次模式光导向波导，其对来自所述合波部的1次模式光进行导向，

至少在所述调制用电极下所述基板的厚度是20μm以下，根据来自所述导向波导的光输出，使施加到所述调制用电极的直流偏压变化，由此可控制所述光调制器的工作点。

2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，

从所述合波部的中心轴到所述导向波导的距离是10μm以上。

3.根据权利要求1或者2所述的光调制器，其特征在于，

所述导向波导具有弯曲部分。

4.根据权利要求3所述的光调制器，其特征在于，

所述弯曲部分的曲率半径是30mm以下。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的光调制器，其特征在于，

来自所述导向波导的所述1次模式光从所述光调制器的侧面射出。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的光调制器，其特征在于，

在所述波导部的一侧形成所述1次模式光导向波导，在所述波导部的另一侧形成其它的1次模式光导向波导。

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