JP2005221999A - 光変調器及び光変調器アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易でロバスト性に優れると共に、設計の自由度が高く光強度を自在に変調できる新規な構造の光変調器及び光変調器アレイを提供する。
【解決手段】多モード導波路８は、入力側単一モード導波路７から入力された光波を複数の導波モードで伝搬させる。従って、多モード導波路８に電場が印加されていない場合には、各導波モードに位相変化は生じないので、入力された光波は多モード導波路８を伝搬して、干渉により一定の強度の光波が出力単一モード導波路１０へと出力される。一方、多モード導波路８に電場が印加された場合には、各導波モードに位相変化が生じ、多モード導波路８の出力端での破壊的な干渉により、光信号が出力単一モード導波路１０に伝送されなくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器及び光変調器アレイに係り、特に、多モード干渉導波路を伝搬する複数の導波モード光の干渉を利用して光信号を変調する光変調器及び光変調器アレイに関する。

光信号の位相及び強度を操作可能な伝送システムは非常に重要である。光信号の位相及び強度を変調する最も一般的なデバイスは光変調器であり、これらは急速に重要なデバイスとなった。なお、光信号の強度を減衰させる光減衰器も、広い意味では光変調器に含まれる。従来、光変調器としては、一般にポッケルス素子とマッハ・ツェンダー型光変調器（ＭＺＭ；Mach-Zehnder Modulator）とが使用されている。

ポッケルス素子は、電気光学効果であるポッケルス効果を利用して変調を行う光変調器である。このデバイスでは、一対の偏光子の間に配置された光学結晶に外部から電場を印加すると、印加された電場により複屈折が誘起される。この複屈折により、結晶に入射した光はベクトル方向が互いに直交する直線偏光成分（ＴＥモードとＴＭモード）に分解されて出射し、所定の偏光成分だけが後方の偏光子を通過する。これにより、印加された電場に応じて光信号の強度が変調される。

マッハ・ツェンダー型光変調器は、Ｙ分岐導波路などを用いてマッハ・ツェンダー型干渉計を構成し、電気光学効果等を利用して強度変調を行う光変調器である。このデバイスでは、光信号の光路が２つに分割され、両光路からの光信号が再結合されて干渉縞を形成する。各光路の導波路アームに電場が印加されると、両光路から得られる光信号間に位相ずれが発生し干渉パターンが変化する。これにより、印加された電場に応じて光信号の強度が連続的に変調される。

上記の従来の光変調器のうち、ポッケルス素子は、製造は容易であるが、誘起されたＴＥモードとＴＭモードとの間の位相変調量の差により、全体的な位相ずれが生じる。このため、通常、光学結晶に比較的大きな電圧を印加する必要がある。一方、マッハ・ツェンダー型光変調器では、印加電圧を制限する必要はなく、一方の偏光モードについて位相変調を行えばよい。この通り、マッハ・ツェンダー型光変調器の方が、より大きな効果を得ることができるので、ポッケルス素子よりも好ましい選択肢である。

以上の理由からマッハ・ツェンダー型光変調器が汎用されているが、このデバイスの製造条件はかなり厳しく、その結果、製造上の歩留まりは低くなる。例えば、入力された光信号を２つに分割する場合、最大減衰率を得るために、理想的にはそれらは正確に半分に分割されなければならない。光信号の分割は、通常、Ｙ分岐導波路又は光方向性結合器を用いて行われる。

Ｙ分岐導波路を用いる場合には、分岐部の先端形状を精密に形成する必要があり、高い歩留まりを達成するためには、高解像度でフォトリソグラフィーを行うことができる高性能なステッパーが必要になる。また、光方向性結合器としては、互いに平行な２本の光導波路の一部を近接させた光導波路型の光カプラーなどが知られているが、これら光方向性結合器は、分岐比が材料（例えば、屈折率）や製造条件（例えば、チャネルの分離度合い）の影響を非常に受け易く、一般にロバスト性が低い。

例えば、Ｙ分岐導波路を有するマッハ・ツェンダー型光変調器に関し、電気光学効果を改善した例は多数提案されている（特許文献１、非特許文献１）。しかしながら、これらの文献では、光パワーの不均等な分割に起因する減衰率の低下には言及していない。また、デバイスのロバスト性の重要性にも言及していない。

また、最近では、光パワーの等分配を達成するために、Ｙ分岐導波路の代わりに多モード干渉導波路（ＭＭＩ；Multi-mode interferometer）素子を用いたマッハ・ツェンダー型光変調器が提案されている（特許文献２）。多モード干渉導波路素子は、幅広い光導波路を有しその中を伝搬する複数の導波モード光の干渉を利用して光ビームを制御する素子である。また、特許文献２には、Ｎ分岐の多モード干渉導波路素子を用いてＮ×Ｎ型の光学スイッチを構成することが可能である点も記載されている。

しかしながら、この光変調器では、低損失を達成するために再結合側にＹ分岐導波路を備える必要がある。即ち、多モード干渉導波路素子は、光パワーの分割にだけ使用されている。また、位相変調は分割された光路毎に行われており、多モード干渉導波路素子は出力パワーの増加には全く寄与しない受動素子として使用されているに過ぎない。従って、従来のマッハ・ツェンダー型光変調器に対して、光パワーの均等な分割を可能にする以外に、他の利点を与えるものではない。

多モード干渉導波路素子を、光スイッチの光分岐素子や光結合素子に使用した例は他にもある（特許文献３、非特許文献２、３）。しかしながら、いずれも位相変調は分割された光路毎に行われており、多モード干渉導波路素子は受動素子として使用されているに過ぎない。即ち、従来、多モード干渉導波路素子が、位相変調に関与する能動素子として使用された光変調器は存在しなかった。
米国特許第５０７４６３１号明細書 米国特許第６６１８１７９号明細書 米国特許第６６４３４１９号明細書 野口等（K. Noguchi et al.）著、「リッジ構造を有するブロードバンドTi:LiNbO3光変調器（A broadband Ti:LiNbO3 optical modulator with ridge structure）」、ＩＥＥＥ光波技術会誌（IEEE Journal of Lightwave Technol.）、第13号、p.1164-1168 カヒル等（L. W. Cahill et al.）著、「一般化されたマッハツェンダー光スイッチの切替特性（Switching Properties of Generalized Mach-Zehnder Photonic Switches)」、クレオ／パシフィック・リム2001会報（Proceedings of CLEO/Pacific Rim 2001)、p.238-239 リン等（Yen-Juei Lin et al.）著、「SOI導波路上に改良されたマッハツェンダー干渉計構成を有する４チャネル粗波長分割多重伝送デマルチプレクサー（Four-channel coarse-wavelength division multiplexing demultiplexer with a modified Mach-Zehnder interferometer configuration on a silicon-on-insulator waveguide)」、応用光学（Appl. Opt.）、第15号、p.2689-2694

以上述べた通り、汎用されているマッハ・ツェンダー型光変調器は、Ｙ分岐導波路や光方向性結合器を用いているため、光パワーを均等に分割することができず、高精度な光変調器を高い歩留まりで製造することが困難である、という問題があった。

一方、光パワーの等分配を達成するために、多モード干渉導波路素子を光分岐素子等に用いたマッハ・ツェンダー型光変調器が提案されているが、これらの光変調器では多モード干渉導波路素子は受動素子として使用されているに過ぎず、多モード干渉導波路素子が位相変調に関与する能動素子として使用された光変調器は存在しなかった。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、製造が容易でロバスト性に優れると共に、設計の自由度が高く光強度を自在に変調できる新規な構造の光変調器及び光変調器アレイを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は以下の特徴を有するものである。

＜１＞ 基板上にコア層と該コア層を挟み込む一対のクラッド層とが積層されて形成された光導波路を備えた光変調器において、前記光導波路が、入力された光を単一モードで伝搬させる入力側単一モード導波路と、前記入力側単一モード導波路から伝搬された光を複数の導波モードで伝搬させる多モード導波路と、前記多モード導波路から伝搬された光を単一モードで伝搬させて出力する出力側単一モード導波路と、を含み、前記多モード導波路の下方に設けられた下部電極層と、前記多モード導波路の上方に設けられ、前記下部電極層と共に前記多モード導波路に電場又は熱を印加する上部電極と、を備え、前記多モード導波路に電場又は熱を印加することにより、前記多モード導波路を伝搬する複数の導波モードの各々を位相変調し、位相変調された複数の導波モードの干渉により、前記出力側単一モード導波路から出力される光の強度を変調することを特徴とする光変調器。

＜２＞ 前記上部電極は、少なくとも前記多モード導波路の入力端近傍に設けられたことを特徴とする＜１＞記載の光変調器。

＜３＞ 前記上部電極は、矩形状の多モード導波路を光伝搬方向に二等分した場合に、入力端側の面積が出力端側の面積より大きい形状とされたことを特徴とする＜１＞又は＜２＞記載の光変調器。

＜４＞ 前記上部電極は、矩形状の多モード導波路を光伝搬方向に二等分する二等分線に対して非対称な形状とされたことを特徴とする＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の光変調器。

＜５＞ 前記上部電極は、矩形状の多モード導波路を光伝搬方向と直交する方向に沿って二等分する二等分線に対して非対称な形状とされたことを特徴とする＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の光変調器。

＜６＞ 前記上部電極は、前記多モード導波路との対向方向から見た形状が三角形状とされたことを特徴とする＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の光変調器。

＜７＞ 光伝搬方向と直交する方向において前記多モード導波路の幅が前記出力側単一モード導波路の幅より広い場合に、前記多モード導波路と前記出力側単一モード導波路との間に、光伝搬方向と直交する方向において入力端の幅が出力端の幅より広いテーパ状導波路を配置したことを特徴とする＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載の光変調器。

＜８＞ 前記多モード導波路の幅Ｗ₂と前記出力側単一モード導波路の幅Ｗ₁とが下記関係を満たすことを特徴とする＜１＞〜＜７＞のいずれかに記載の光変調器。

＜９＞ 前記一対のクラッド層が下部クラッド層と上部クラッド層とであり、下部クラッド層の屈折率ｎ_lc、コア層の屈折率ｎ_core、及び上部クラッド層の屈折率ｎ_ucが下記関係を満たすことを特徴とする＜１＞〜＜８＞のいずれかに記載の光変調器。

＜１０＞ 前記光導波路が、リブが形成されたリブ型構造又はトレンチが形成された逆リブ型構造であることを特徴とする＜１＞〜＜９＞のいずれかに記載の光変調器。

＜１１＞ 光伝搬方向と直交する方向において前記光導波路の中央部での厚みｄと両端部での厚みをｈとが下記関係を満たすことを特徴とする＜１＞〜＜１０＞のいずれかに記載の光変調器。

＜１２＞ 前記上部電極の形状は、三角形状、放物線形状、直線状、又は多項式関数で定義される任意の形状であることを特徴とする＜１＞〜＜１１＞のいずれかに記載の光変調器。

＜１３＞ 前記形状の上部電極を複数配置したことを特徴とする＜１２＞記載の光変調器。

＜１４＞ 前記光導波路を構成する材料が、電気光学効果又は熱光学効果を有する材料であることを特徴とする＜１＞〜＜１３＞のいずれかに記載の光変調器。

＜１５＞ 前記テーパ状導波路の入力端の幅Ｗ₃が下記関係を満たすことを特徴とする＜７＞記載の光変調器。

＜１６＞ 基板上にコア層と該コア層を挟み込む一対のクラッド層とが積層されて形成された光導波路を備えた光変調器において、前記光導波路が、入力された光を単一モードで伝搬させる入力側単一モード導波路と、前記入力側単一モード導波路から伝搬された光を複数の導波モードで伝搬させる多モード導波路と、前記多モード導波路から伝搬された光を単一モードで伝搬させて出力する出力側単一モード導波路と、を含み、前記多モード導波路の下方に設けられた下部電極層と、前記多モード導波路の上方に光伝搬方向と交差するように配置され、前記下部電極層と共に前記多モード導波路にマイクロ波を印加するストライプ状の上部電極と、を備え、前記多モード導波路にマイクロ波を印加することにより、前記多モード導波路を伝搬する複数の導波モードの各々を位相変調し、位相変調された複数の導波モードの干渉により、前記出力側単一モード導波路から出力される光の強度を変調することを特徴とする光変調器。

＜１７＞ 前記上部電極の厚さが０．１μｍ〜５μｍであることを特徴とする＜１＞〜＜１６＞のいずれかに記載の光変調器。

＜１８＞ ＜１＞〜＜１７＞のいずれかに記載の光変調器を複数アレイ状に配列したことを特徴とする光変調器アレイ。

本発明の光変調器及び光変調器アレイは、製造が容易でロバスト性に優れると共に、設計の自由度が高く光強度を自在に変調できる、という効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る光変調器は、基板１と、該基板１に積層された下部電極層２と、該下部電極層２に積層された下部クラッド層３と、該下部クラッド層３に積層されたコア層４と、該コア層４に積層された上部クラッド層５と、該上部クラッド層５に積層された上部電極６と、で構成されている。

下部クラッド層３の屈折率をｎ_lc、コア層４の屈折率をｎ_core、上部クラッド層５の屈折率をｎ_ucとした場合に、各屈折率の値を以下の条件を満たすように設定しなければならない。

コア層４には、入力側単一モード導波路７と、幅の広い多モード導波路８と、テーパ状導波路９と、出力側単一モード導波路１０とで構成された光導波路が配置されている。入力側単一モード導波路７は、略直線状に形成されており、その入力端が装置外部に露出されている。この入力側単一モード導波路７は、入力された光を単一モードで伝搬させる。

入力側単一モード導波路７の出力端には、上面視にて矩形状とされた多モード導波路８が直接接続されている（図３参照）。多モード導波路８の長さ方向は入力側単一モード導波路７の軸方向（図１の矢印Ａ方向）と平行とされ、幅方向（図１の矢印Ｂ方向）に沿った多モード導波路８の中央部には上記入力側単一モード導波路７の出力端が接続されている。この多モード導波路８は、入力側単一モード導波路７から入力された光波を複数の導波モードで伝搬させる。

多モード導波路８の出力端には、テーパ状導波路９と、略直線状に形成され且つ入力側単一モード７と同軸とされた出力側単一モード導波路１０とが配置されている。テーパ状導波路９は、上面視にて多モード導波路８側から出力側単一モード１０側に向かって矢印Ｂ方向の幅が次第に狭くなるテーパ状に形成されている。

テーパ状導波路９の入力端は、矢印Ｂ方向に沿った多モード導波路８の中央部に接続されている。また、テーパ状導波路９の出力端の幅は、出力側単一モード１０の幅と略同一とされており、テーパ状導波路９の出力端は出力側単一モード１０に接続されている。このテーパ状導波路９は、多モード導波路８を伝搬した光を出力側単一モード導波路１０に結合させる。本実施の形態に係る光変調器は、単入力単出力の光学デバイスであり、出力側単一モード導波路１０は、該光を単一モードで伝搬させて装置外に出力させる。なお、テーパ状導波路９を省略して、出力側単一モード導波路１０の入力端を多モード導波路８の出力端に直接接続してもよい。

ここで、光導波路の形状について説明する。図３に示すように、入力側単一モード導波路７の幅方向寸法をＷ₁、多モード導波路８の幅方向寸法をＷ₂とすると、その比Ｗ₂／Ｗ₁が以下の条件式を満たす場合に多モード干渉を得ることができる。

また、多モード導波路８の長さ方向の寸法Ｌは、導波路とその周囲領域との屈折率差Δｎ、入力側単一モード導波路７の幅寸法Ｗ₁、及び多モード導波路８の幅寸法Ｗ₂の関数とされている。ここで、寸法Ｌは、上記の屈折率差Δｎ及び寸法Ｗ₁の各々により大きな影響は受けないが、各パラメータとの弱い反比例関係（Ｌ∝（Ｗ₁）^-1及びＬ∝（Δｎ）^-1）を有する。一方、光変調器の光出力パワーは、寸法Ｗ₂に大きく影響され、寸法Ｗ₂の二乗に比例する。これらの特性により、寸法Ｗ₂及び寸法Ｌなどのパラメータを材料に応じて変更することにより、動作の安定性を高めることができる。

また、テーパ状導波路９の入力端における幅寸法Ｗ₃は、光変調器の光パワーの総損失量に応じて設定することができる。図４に示されるように、多モード導波路８の幅寸法Ｗ₂を７５μｍとした場合、Ｗ₃＝１１μｍのとき光パワーの最小損失量は０．５ｄＢ以下となるが、光パワーの総損失量は寸法Ｗ₃が大きくなるに従い次第に大きくなり、Ｗ₃＝３３ｕｍのとき２．５ｄＢを超える。

また、本実施の形態では、コア層４を含む光導波路は、図５（Ａ）に示すように、矢印Ｂ方向の中央部４Ａがその両端部よりも上方に厚いリブ構造とされている。中央部４Ａでの厚みをｄ、その両端部での厚みをｈとすると、本実施の形態では、下記の条件を満たす必要がある。

なお、導波路形状はリブ構造に限定されず、図５（Ｂ）に示すように、矢印Ｂ方向の中央部４Ｂがその両端部よりも下方に厚い逆リブ構造とすることもできる。

コア層４の多モード導波路８の上方には、上部クラッド層５を介して上部電極６が配置されている。この上部電極６と下部電極層２との間に電圧を印加することで、多モード導波路８に電場が印加される。

ここで、図６を参照して、本発明の光変調器の動作原理を説明する。

上述した通り、多モード導波路８は、入力側単一モード導波路７から入力された光波を複数の導波モードで伝搬させる。従って、多モード導波路８に電場が印加されていない場合には、図６（Ａ）に示すように、各導波モードに位相変化は生じないので、入力された光波は多モード導波路８を伝搬して、干渉により一定の強度の光波が出力単一モード導波路１０へと出力される。一方、多モード導波路８に電場が印加された場合には、図６（Ｂ）に示すように、各導波モードに位相変化が生じ、多モード導波路８の出力端での破壊的な干渉により、光信号が出力単一モード導波路１０に伝送されなくなる。即ち、図６（Ａ）に示す状態をオン状態とすると、図６（Ｂ）に示す状態では、オン状態での干渉パターンが破壊されて、オフ状態となる。

この動作原理を利用して、オン状態からオフ状態に切り替える場合には、本発明の光変調器は、信号光を遮断する光学遮断器として機能する。また、オン状態からオフ状態まで位相変化が徐々に誘起される場合には、光強度を徐々に制御できるので、本発明の光変調器は、信号光の強度を所望の値まで減衰させる可変型の光減衰器として機能する。更に、位相変化がオン状態とオフ状態との間で連続的に切り替えられる場合には、この位相変化に従って出力される光信号をオンオフ変調できるので、本発明の光変調器は、文字通り信号光の強度を変調する光変調器として機能する。

以上の動作原理から分るように、多モード導波路８に印加される電場は、多モード導波路８の上方に配置される上部電極６の形状に依存して変化する。従って、本発明では上部電極６の形状が重要であり、上部電極６の形状は所望の光出力が得られるように設計される。上部電極６の機能は、多モード導波路８内での非対称位相の発生が多モード導波路８内での干渉パターンを破壊し、出力単一モード導波路１０で最終的に再結合される光信号の空間分布を歪めるように、多モード導波路８に摂動を生じることである。この摂動に起因する結合量の減少は、多モード導波路８と出力単一モード導波路１０との間の結合損失となる。よって、摂動電界を変化させることにより、上述した結合損失の制御が可能になるので、出力信号の強度の制御が可能になる。

本実施の形態では、上部電極６は、図３に示すように、上面視にて矩形状の多モード導波路８の右下がりの対角線を斜辺とする直角三角形状とされている。この通り、上部電極６を多モード導波路８の上方に配置することで、複数の導波モードの各々に位相変化が生じ、多モード導波路８の出力端で破壊的な干渉を発生させることができる。

また、図３に示す上部電極６は、多モード導波路８を長さ方向に二等分した場合に、入力端側の面積が出力端側の面積より大きい形状とされている。位相変化を与えられた複数の導波モードの各々は、多モード導波路８を導波して、その出力端で破壊的な干渉を発生させる。従って、入力端側の電極面積を出力端側の電極面積より大きくする等、多モード導波路８の入力端側に上部電極６を配置することが好ましい。

更に、図３に示す上部電極６は、多モード導波路８を長さ方向に二等分する二等分線ａ−ａ´に対して非対称な形状とされると共に、多モード導波路８を幅方向に二等分する二等分線ｂ−ｂ´に対しても非対称な形状とされている。多モード導波路２６に電場を印加した場合に、多モード導波路８内での非対称位相の発生が促進され、破壊的な干渉が発生し易くなるので、より大きな光出力変化を得ることができる。

なお、上部電極６の形状は、上記の直角三角形状には限定されない。三角形状、ストライプ状、放物線形によって定められる形状、任意の多項式構造で定められる形状など、任意の形状及びサイズとすることができる。

例えば、図７（Ａ）に示すように、上部電極６を、上面視にて矩形状の多モード導波路８の出力端の中央を頂点とし且つ該頂点に対向する底辺を多モード導波路８の入力端に沿って配置した二等辺三角形状とすることもできる。この例では、図３に示す形状と同様に、多モード導波路８の入力端側の電極面積が出力端側の電極面積より大きいので、多モード導波路８の出力端で破壊的な干渉を発生させるのに好適である。また、多モード導波路８を長さ方向に二等分する二等分線ａ−ａ´に対して非対称な形状とされており、より大きな光出力変化を得ることができる。なお、図８に、二等辺三角形状の上部電極６を設けた光変調器の構成を示す。

また、図７（Ｂ）に示すように、上面視にて矩形状の多モード導波路８を長さ方向に二等分し、二等分された矩形状の多モード導波路８Ａ、８Ｂ各々の右下がりの対角線を斜辺とする直角三角形状の上部電極６Ａ、６Ｂを、多モード導波路８の長さ方向に沿って２段に配置することもできる。この例では、図３に示す形状と同様に、多モード導波路８を長さ方向に二等分する二等分線ａ−ａ´に対して非対称な形状とされると共に、多モード導波路８を幅方向に二等分する二等分線ｂ−ｂ´に対しても非対称な形状とされており、より大きな光出力変化を得ることができる。

また、図７（Ｃ）に示すように、上面視にて矩形状の多モード導波路８を長さ方向に二等分し、二等分された矩形状の多モード導波路８Ａ、８Ｂ各々に対応して、多モード導波路８の出射側に放物線状に張り出した形状、いわゆる砲弾形状の上部電極６Ｃ、６Ｄを、多モード導波路８の長さ方向に沿って２段に配置することもできる。この例では、図３に示す形状と同様に、多モード導波路８を長さ方向に二等分する二等分線ａ−ａ´に対して非対称な形状とされており、より大きな光出力変化を得ることができる。

基板１の材料としては、シリコン、ガラス、柔軟なポリマーフィルム、ＳｒＴｉＯ₃、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等を挙げることができる。また、下部電極層２、上部電極６の材料としては、スパッタリングプロセスを用いて形成可能な材料である金、アルミニウム、銅等を挙げることができる。

下部クラッド層３、コア層４、上部クラッド層５の材料としては、電気光学効果を有する材料を挙げることができる。下部クラッド層３、コア層４、上部クラッド層５は、スパッタリング法、蒸発法、化学蒸着法、エピタキシャル法、スピンコーティング法等により形成することができる。

リブ構造はコア層の材料上でエッチングを行うことにより、逆リブ構造は下部クラッド層の材料上でエッチングを行うことにより、各々形成することができる。特に、矩形状又は直線状の導波路はパターニングが容易である。また、上部電極６は、リフトオフ法又はウェットケミカルエッチング法等、従来と同様の方法を用いてパターニング可能である。

次に、本実施の形態に係る光変調器の動作について説明する。

入力側単一モード導波路７の入力端から入力された光は、この入力側単一モード導波路７を単一モードで伝搬する。次いで、この入力側単一モード導波路７を経た光は、多モード導波路８を複数の導波モード（多モード）で伝搬する。

ここで、下部電極層２と上部電極６との間に電圧が印加されていない場合、すなわち多モード導波路８に電場が印加されていない場合には、図６（Ａ）に示すように、各導波モードに位相変化は生じないので、入力側単一モード導波路７を伝搬した光は多モード導波路８を伝搬し、干渉により一定の強度の光波がテーパ状導波路９を介して出力側単一モード導波路１０へ導波される。そして、出力側単一モード導波路１０を単一モードで伝搬し、その出力端から出力される。

一方、下部電極層２と上部電極６との間に所定の電圧が印加された場合、すなわち多モード導波路８に電場が印加された場合には、多モード導波路８を伝搬する複数の導波モード光の各々に位相変化が生じ、多モード導波路８の出力端での破壊的な干渉により、光信号が出力単一モード導波路１０に伝送されなくなる。

従って、出力側単一モード導波路１０から出力される光の強度を、下部電極層２と上部電極６との間に印加される電圧の大きさに応じて調節することができる。

ここで、本発明の有効性を示す例として、種々の実施の形態で得られた結果を示す。即ち、本実施の形態に係る光変調器（図１参照）と電気光学効果とを用いて、光変調器としての性能を数値的に評価し、その効果を証明すると共にその機能を示す。

下部クラッド層３、コア層４、上部クラッド層５に用いる材料系の屈折率はｎ_core＝１．５８２、ｎ_lc＝ｎ_uc＝１．４７１である。また、下部クラッド層３の厚さは３．０μｍであり、コア層４の厚さｄは３．７μｍである。上部クラッド層５の厚さはリッジの周囲では３．７μｍであり、０．７μｍの高さのリッジを形成することにした。即ち、リッジ上での上部クラッド層５の厚さｈは３．０μｍである。

入力単一モード導波路７の幅ｗ₁は５μｍである。リッジの幅及び高さは、リッジ設計手法に基づいて、単一モード動作が可能となるように選択される。また、多モード導波路８の幅ｗ₂は７５μｍに設定され、長さＬは６４００μｍになるよう選択される。テーパ状導波路９の出力端に接続される出力単一モード導波路１０は、出力単一モード導波路１０と同様、その幅ｗ₁が５μｍである。テーパ状導波路９の入力端の幅ｗ₄は１０μｍであり、長さＴは１０００μｍである。テーパ状導波路９の出力端では、その幅が５μｍに減少している。

この材料系での下部クラッド層３、コア層４、上部クラッド層５の抵抗率は、各々、５×１０¹⁴Ω×ｍ、１．８１×１０¹⁵Ω×ｍ、及び５×１０¹⁴Ω×ｍであり、下部電極層２と上部電極６との間に電圧を印加すると、電場の７０％が電極間で切り取られるコア部に閉じ込められた。クラッド材料の抵抗率を１桁低減することにより、閉じ込められる電場の割合を７０％から９５％を超える値に増加させることができる。即ち、この材料系では、電気光学効果として、下部電極層２と上部電極６との間に印加された単位電圧当たり０．００００２を超える屈折率変化を得ることができる。

上記の光変調器の構成について、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、上部電極６の形状を種々変えて、印加電圧に対する光出力変化をシュミレートした。上部電極６の形状に応じて、異なる電圧―光出力特性が得られた。その結果を、図９（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図９（Ａ）〜（Ｃ）から分るように、各々の場合に、電圧を０Ｖから６Ｖまで変化させることで、光応答の強度を０ｄＢから１７ｄＢを超える値まで変化させることができる。図９（Ｃ）に示すように、図７（Ｃ）に示す電極形状では、光応答の強度は２０ｄＢを超える値に達する。

以上の結果から、本実施の形態に係る光変調器は、顕著に高いロバスト性、特に、材料の屈折率に対する許容度を有していることが明らかである。即ち、コントラスト比を６０％以上離調した場合でも、損失の増加は１ｄＢ以下であった。このタイプの現象を適用して、熱性又は電気性のドリフトが最小限の、安定したデバイスを作ることが可能である。例えば、ポリマーでは、光が導波路を通って連続的に伝搬すると、導波路内の光化学反応に起因して、屈折率の降下を生じることが知られている。このようなポリマーデバイスでは、この効果により、この材料を適用することの魅力が低下する。しかし、ここで、本発明のこのようなロバスト性を用いることにより、安定したデバイスを実現できることがわかった。

以上説明したとおり、本実施の形態の光変調器は、従来、汎用されているマッハ・ツェンダー型光変調器と異なり、光導波路の構成が簡単である。これは、多モード導波路を位相変調に関与する能動素子として使用したので、光パワーを均等に分割する必要がないためである。このため、本実施の形態の光変調器は、製造が容易でロバスト性に優れる。

また、本実施の形態の光変調器は、上部電極の形状や印加電圧の大きさを変化させるだけで、信号光の強度を自在に変調することができ、デバイス設計の自由度が高い。
（変形例）
以下、本実施の形態に係る光変調器の変形例について説明するが、上述した実施の形態と同様の構成部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

また、図１０に示すように、本発明を適用したＮ個の可変光減衰器２０₁〜２０_Nを、Ｃｈ（１）〜Ｃｈ（Ｎ）の各チャネルに対応させて並列に配置し、マルチチャネル型の可変光減衰器アレイ３０を構成することもできる。この可変光減衰器アレイ３０は、可変光減衰器２０₁〜２０_Nの各々に相応の電圧Ｖ₁〜Ｖ_Nを印加して光信号を減衰させ、各チャネル間で光信号の出力強度を均等化する。従って、この可変光減衰器アレイ３０を光ネットワークの等化器（equalizer）として用いることができる。なお、この適用例では、各チャネルに入力される光信号の各々は、互いに同じ波長であってもよく、異なる波長であってもよい。

また、図１１（Ａ）に示すように、３Ｖの基準バイアス電圧を印加し、ピーク・トウ・ピーク（peak-to-peak）が４Ｖとされる振動電気信号を与えることにより、符号化された光信号を出力する光変調器が示されている。例えば、図１１（Ｂ）に示すように、図７（Ｂ）に示す形状の上部電極６Ａ、６Ｂの各々に電気信号発生器を接続し、この電気信号発生器から出力された電気信号に基づいて連続波（ＣＷ）である光信号を変調することで、符号化された光信号を得ることができる。

また、光波と変調されたマイクロ波との速度整合を取り広帯域な光変調を行う進行波型光変調器に適用する場合には、図１２に示すように、上部電極６はストライプ状とすることが好ましい。ストライプ状の上部電極６は、上面視にて矩形状の多モード導波路８の左下がりの対角線に沿って斜めに配置される。上部電極６はマイクロ波の伝送線路を兼ねており、上部電極６の両端にはテーパ状のマイクロ波ストリップ１１Ａ、１１Ｂが各々接続されている。また、マイクロ波ストリップ１１Ａ、１１Ｂの各々はマイクロ波発生器に接続されている。この光変調器では、上部電極６にマイクロ波を伝搬させて、多モード導波路８に電場を印加する。

上部電極６はストライプ幅の寸法をＷ₄とした場合に（図１３参照）、この寸法Ｗ₄と光出力との関係が図１４に示す。この図から分るように、寸法Ｗ₄が１０μｍ以下では上部電極６を設けた効果はほとんど無いが、寸法Ｗ₄が３５μｍのときに光出力が最も大きく減衰する。一方、寸法Ｗ₄が３５μｍを超えて更に増加すると光出力が大幅に増加する。

なお、本発明の光変調器は、多モード導波路に印加する電場の強さを変動させて、光変調器から出力される光信号を変調することを特徴とするものである。また、上記電場の強さをゆっくりと（静的に）増加させる又は減少させることで、光変調器から出力される光の強度が連続的に調節されるので、光変調器を可変光減衰器として適用することができる。また、瞬時に上記電場の強さを変更することで光変調器から光を出力させるか否かを切り換える構成とすれば、光変調器を光スイッチとして適用することができる。

また、本実施の形態では、電気光学効果を利用した光変調器について説明したが、媒質の屈折率が温度によって変化する熱光学効果を生じる材料を多モード導波路に使用し、該多モード導波路に熱を加えることで、複数の導波モード光の干渉パターンを変化させてもよい。

本発明の実施の形態に係る光変調器の概略を示す斜視図である。 光変調器の側断面図である。 光変調器の導波路と上部電極との位置関係を示す上面図である。 光変調器のテーパ状導波路の寸法と光変調器から出力される光のパワーとの関係を示すグラフである。 （Ａ）及び（Ｂ）は光変調器のコア層の変形例を示す図である。 光変調器に入力した光の状態を示す図であり、（Ａ）は多モード導波路に電場を印加していない場合、（Ｂ）は多モード導波路に電場を印加した場合の図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は光変調器の電極層の変形例を示す図である。 光変調器の変形例を示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は電極層間に印加した電圧と光出力との関係を示す図であり、図７（Ａ）〜（Ｃ）に対応する図である。 本発明の光変調器が適用された可変光減衰器アレイの概略図である。 符号化された光信号を生成する光変調器の構成を示す概略図である。 本発明の光変調器が適用された進行波型光変調器の概略を示す斜視図である。 図１２の光変調器の導波路と上部電極との位置関係を示す上面図である。 図１２及び図１３のストライプ状の上部電極の幅寸法と光出力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板
２ 下部電極層
６ 上部電極
７ 入力側単一モード導波路
８ 多モード導波路
１０ 出力側単一モード導波路

Claims (18)

1. 基板上にコア層と該コア層を挟み込む一対のクラッド層とが積層されて形成された光導波路を備えた光変調器において、
   前記光導波路が、入力された光を単一モードで伝搬させる入力側単一モード導波路と、前記入力側単一モード導波路から伝搬された光を複数の導波モードで伝搬させる多モード導波路と、前記多モード導波路から伝搬された光を単一モードで伝搬させて出力する出力側単一モード導波路と、を含み、
   前記多モード導波路の下方に設けられた下部電極層と、
   前記多モード導波路の上方に設けられ、前記下部電極層と共に前記多モード導波路に電場又は熱を印加する上部電極と、
   を備え、
   前記多モード導波路に電場又は熱を印加することにより、前記多モード導波路を伝搬する複数の導波モードの各々を位相変調し、位相変調された複数の導波モードの干渉により、前記出力側単一モード導波路から出力される光の強度を変調することを特徴とする光変調器。
2. 前記上部電極は、少なくとも前記多モード導波路の入力端近傍に設けられた請求項１記載の光変調器。
3. 前記上部電極は、矩形状の多モード導波路を光伝搬方向に二等分した場合に、入力端側の面積が出力端側の面積より大きい形状とされた請求項１又は２記載の光変調器。
4. 前記上部電極は、矩形状の多モード導波路を光伝搬方向に二等分する二等分線に対して非対称な形状とされた請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光変調器。
5. 前記上部電極は、矩形状の多モード導波路を光伝搬方向と直交する方向に沿って二等分する二等分線に対して非対称な形状とされた請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光変調器。
6. 前記上部電極は、前記多モード導波路との対向方向から見た形状が三角形状とされた請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光変調器。
7. 光伝搬方向と直交する方向において前記多モード導波路の幅が前記出力側単一モード導波路の幅より広い場合に、前記多モード導波路と前記出力側単一モード導波路との間に、光伝搬方向と直交する方向において入力端の幅が出力端の幅より広いテーパ状導波路を配置した請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光変調器。
8. 前記多モード導波路の幅Ｗ₂と前記出力側単一モード導波路の幅Ｗ₁とが下記関係を満たす請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光変調器。
   
9. 前記一対のクラッド層が下部クラッド層と上部クラッド層とであり、下部クラッド層の屈折率ｎ_lc、コア層の屈折率ｎ_core、及び上部クラッド層の屈折率ｎ_ucが下記関係を満たす請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光変調器。
   
10. 前記光導波路が、リブが形成されたリブ型構造又はトレンチが形成された逆リブ型構造である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光変調器。
11. 光伝搬方向と直交する方向において前記光導波路の中央部での厚みｄと両端部での厚みをｈとが下記関係を満たす請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光変調器。
    
12. 前記上部電極の形状は、三角形状、放物線形状、直線状、又は多項式関数で定義される任意の形状である請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光変調器。
13. 前記形状の上部電極を複数配置した請求項１２記載の光変調器。
14. 前記光導波路を構成する材料が、電気光学効果又は熱光学効果を有する材料である請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光変調器。
15. 前記テーパ状導波路の入力端の幅Ｗ₃が下記関係を満たす請求項７記載の光変調器。
    
16. 基板上にコア層と該コア層を挟み込む一対のクラッド層とが積層されて形成された光導波路を備えた光変調器において、
    前記光導波路が、入力された光を単一モードで伝搬させる入力側単一モード導波路と、前記入力側単一モード導波路から伝搬された光を複数の導波モードで伝搬させる多モード導波路と、前記多モード導波路から伝搬された光を単一モードで伝搬させて出力する出力側単一モード導波路と、を含み、
    前記多モード導波路の下方に設けられた下部電極層と、
    前記多モード導波路の上方に光伝搬方向と交差するように配置され、前記下部電極層と共に前記多モード導波路にマイクロ波を印加するストライプ状の上部電極と、
    を備え、
    前記多モード導波路にマイクロ波を印加することにより、前記多モード導波路を伝搬する複数の導波モードの各々を位相変調し、位相変調された複数の導波モードの干渉により、前記出力側単一モード導波路から出力される光の強度を変調することを特徴とする光変調器。
17. 前記上部電極の厚さが０．１μｍ〜５μｍである請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光変調器。
18. 請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の光変調器を複数アレイ状に配列した光変調器アレイ。