JP2012173404A - Optical component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光部品に関し、より詳細には、複数の導波路型光素子を備える光部品に関する。 The present invention relates to an optical component, and more particularly, to an optical component including a plurality of waveguide type optical elements.
インターネット等により通信トラフィックの大容量化が求められている。そのため、波長分割多重(WDM)システムにおいて、1チャネル当たりの伝送速度の増加や波長数の増加が求められている。具体的には、WDMシステムの伝送には40Gbit/sや100Gbit/sといった高い伝送速度が求められている。しかし、高速化のために変調シンボルレートを高くすると、分散耐性が急激に劣化し、伝送距離が縮小してしまうという問題がある。また、信号スペクトルの広がりも大きくなるため、波長分割多重(WDM)伝送におけるフィルタの帯域やチャネル間隔を大きくとらなければならないという問題もある。そこで、シンボルレートを上げずにビットレートを大きくする多値化技術、多重化技術の必要性が高まっている。 There is a demand for an increase in communication traffic volume via the Internet and the like. Therefore, in a wavelength division multiplexing (WDM) system, an increase in transmission speed per channel and an increase in the number of wavelengths are required. Specifically, high transmission rates such as 40 Gbit / s and 100 Gbit / s are required for transmission in the WDM system. However, if the modulation symbol rate is increased for higher speed, there is a problem that the dispersion tolerance is rapidly deteriorated and the transmission distance is reduced. In addition, since the spread of the signal spectrum is increased, there is a problem that a filter band and a channel interval in wavelength division multiplexing (WDM) transmission must be increased. Thus, there is an increasing need for multilevel technology and multiplexing technology that increases the bit rate without increasing the symbol rate.
このような背景から、実際にチャネル当たり40Gbit/sや100Gbit/sの超高速伝送が実現または提案されている。こうした多値変調器の1例として、ニオブ酸リチウム(LN:LiNbO3)基板にチタン(Ti)拡散を用いて光導波路を形成したLN光変調器が有望であり、例えば40Gbit/s用のDQPSK変調器や100Gbit/s用偏波多重QPSK変調器等の開発が進められている。 Against this background, 40 Gbit / s or 100 Gbit / s ultra high speed transmission is actually realized or proposed per channel. As an example of such a multilevel modulator, an LN optical modulator in which an optical waveguide is formed on a lithium niobate (LN: LiNbO3) substrate using titanium (Ti) diffusion is promising. For example, DQPSK modulation for 40 Gbit / s And a 100 Gbit / s polarization multiplexed QPSK modulator are being developed.
このLN変調器は、光通信システムの重要な光部品であり、その信頼性の向上が求められている。高信頼化には、LN変調器を筐体(パッケージ)に気密封止する実装技術が大きな影響を持ち、研究が進められている。 This LN modulator is an important optical component of an optical communication system, and its reliability is required to be improved. For high reliability, mounting technology that hermetically seals the LN modulator in a casing (package) has a great influence, and research is being advanced.
一方、図6に示すように、LN基板と、Si基板上にSiO2系ガラスを主成分とする石英系光波回路(PLC:Planar Lightwave Circuit)を組み合わせて変調器を構成する従来例も報告されている(特許文献1及び2参照)。図6では、位相シフタの部分にのみLN基板220を用い、引き回しのための光導波路には石英系のPLC210、230を用いている。このため、LN光導波路の優れた特性はそのままで、PLCの優れたパッシブ回路の特徴を生かすことができる。例えば、回路全体を小型にしたり、全体の挿入損失を低減したりすることが可能である。
On the other hand, as shown in FIG. 6, a conventional example in which a modulator is configured by combining an LN substrate and a quartz lightwave circuit (PLC) composed mainly of SiO 2 glass on a Si substrate is also reported. (See Patent Documents 1 and 2). In FIG. 6, the
図7に、LN基板と石英系のPLCを組み合わせて変調器を構成する従来例の斜視図を示す。この変調器300は、光信号の入力側の光ファイバ301と、2段のY分岐を備えた石英系のPLC302と、複数の位相シフタを備えたLN基板303と、2段のカプラを備えた石英系のPLC304と、光信号の出力側の光ファイバ305とから構成されている。これらの基板は、それぞれの光導波路同士を調心した後、UV接着剤により接続することが可能である。
FIG. 7 is a perspective view of a conventional example in which a modulator is configured by combining an LN substrate and a quartz-based PLC. The
我々は既にPLCと光ファイバブロックとの接続について、量産性、信頼性を確立しており、このような基板同士の接続技術は、上記接続と構造が似ているため同様に容易に可能であると予想する。PLCとLN基板上の光波回路は、光導波路同士のモードフィールド径の値が近いものを用いることが可能であり、またLN光導波路の形状が例えば横長の場合でもPLCでスポットサイズ変換機能を構成することにより低い接続損失で接続可能なことが既に示されている。また、図に示すように、LN基板とPLCの間では、端面を斜めにして導波路を接続することにより反射を防止する構造を取ることが多い。 We have already established mass productivity and reliability for the connection between PLC and optical fiber block, and such a connection technology between substrates is easily possible because the structure is similar to the above connection. I expect. The lightwave circuit on the PLC and LN substrate can use the ones with close mode field diameter values between the optical waveguides, and even if the shape of the LN optical waveguide is horizontally long, for example, the spot size conversion function is configured by the PLC. It has already been shown that connection can be made with low connection loss. In addition, as shown in the figure, the LN substrate and the PLC often have a structure that prevents reflection by connecting the waveguide with the end face inclined.
上記の偏波多重QPSK変調器においては、PLCとLNとの接続は8アレイもの光導波路アレイの接続が必要になり、これらを少しでも小型に集積する技術が強く望まれている。 In the above polarization multiplexing QPSK modulator, the connection between the PLC and the LN requires the connection of as many as eight optical waveguide arrays, and a technique for integrating them as small as possible is strongly desired.
また図1(特許文献1の図5に相当)のように、第1のPLC基板31と第3のPLC基板33が、LN光導波路34を有する第2のLN基板32に突き合わせ接続(バットジョイント)された例も従来技術として報告されている。ここでもパッシブな光導波路として実績のあるPLC31、33と、電気光学効果を用いた高速変調機能の実績があるLN32を組み合わせて高機能化や多チャネル化を図っており、多アレイなPLCとLNとの接続を小型に集積する技術が必要とされている。
Further, as shown in FIG. 1 (corresponding to FIG. 5 of Patent Document 1), the
上記のような多アレイの光導波路同士を接続するにおいては、モジュール全体を小型に最適化するためにアレイ間隔を狭くする方が有利である。実際このようなPLC−LNモジュールにおいては、アレイ間隔は例えば数百ミクロン以下と狭く設定されており、モジュールのサイズを小型にすることが可能である。 In connecting the multi-array optical waveguides as described above, it is advantageous to narrow the array interval in order to optimize the entire module in a small size. In fact, in such a PLC-LN module, the array interval is set to be narrow, for example, several hundred microns or less, and the size of the module can be reduced.
しかしながら、そのように小型化を実現するためにアレイ間隔を狭く最適化した状態でも、下記に述べるような課題が存在した。従来の技術では、異なる材料の導波路型光素子を突き合わせ接続した場合、熱膨張係数の差に起因して光導波路の接続損失が発生してしまう。図2及び3を参照して、この問題を説明する。 However, there are problems as described below even in a state where the array interval is narrowly optimized in order to realize such a miniaturization. In the conventional technique, when waveguide type optical elements of different materials are butt-connected, a connection loss of the optical waveguide occurs due to a difference in thermal expansion coefficient. This problem will be described with reference to FIGS.
図2は、温度変化による光導波路の位置のずれを説明するための図である。たとえば25℃において、PLC210の複数の光導波路211、212とLN導波路220の複数の光導波路221、222の位置がそれぞれ一致するように調心して接続されているとする。この場合に、正の温度変化があると、SiよりもLNの方が熱膨張係数が大きいため(PLC:2.5×10−6/K、LN:15.4×10−6/K)、図2の下図に示すように軸ずれδ1、δ2が発生する。温度変化によって、PLC210の光導波路211、212の中心と、LN導波路220の光導波路221、222の中心が一致するようにPLCとLN導波路が、伸び縮みする時、軸ずれδ1、δ2が等しくなり,接続損失も小さくなる。
FIG. 2 is a diagram for explaining a shift in the position of the optical waveguide due to a temperature change. For example, it is assumed that at 25 ° C., the plurality of
図3は、LN導波路の両端にそれぞれPLCが突き合わせ接続されている光モジュールにおける接続損失の計算結果を示す図である。25℃におけるLN導波路220の光導波路221、222のコア間隔L0を4000μm、温度範囲を−5℃〜+75℃として次式により計算した。軸ずれδ1=δ2とし、ガウスビームの重なりから損失ηを求めた。係数の「2」は、LN導波路220の両端面から損失の寄与を表している。
FIG. 3 is a diagram illustrating a calculation result of connection loss in an optical module in which PLCs are butt-connected to both ends of the LN waveguide. The calculation was performed according to the following equation, assuming that the core interval L0 of the
25℃のときに0dBであった損失が、最大で75℃における0.5dBまで増加している。 The loss, which was 0 dB at 25 ° C., has increased to a maximum of 0.5 dB at 75 ° C.
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、異なる熱膨張係数を有し、それぞれ複数の光導波路を有する導波路型光素子が対向する光導波路同士が一致するように突き合わせ接続された光部品において、モジュールを小型に実装するためにアレイ間隔を狭く最適化してもなお残る課題である、温度変化による接続損失増加を抑制することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the purpose thereof is to match optical waveguides having different thermal expansion coefficients and opposed to waveguide-type optical elements each having a plurality of optical waveguides. In the optical components that are butt-connected, the increase in connection loss due to temperature change, which remains a problem even when the array interval is narrowly optimized in order to mount the module in a small size, is to be suppressed.
このような目的を達成するために、本発明の第1の態様は、複数の光導波路を有する第1の導波路型光素子と、前記第1の導波路型光素子に突き合わせ接続された、複数の光導波路を有する第2の導波路型光素子とを備える光部品において、前記第1の導波路型光素子と前記第2の導波路型光素子とは、異なる熱膨張係数を有する材料で構成されており、前記第1の導波路型光素子の前記複数の光導波路と、前記第2の導波路型光素子の前記複数の光導波路の位置が、室温ではない基準温度において一致することを特徴とする。 In order to achieve such an object, according to a first aspect of the present invention, a first waveguide type optical element having a plurality of optical waveguides and a butt connection to the first waveguide type optical element are provided. An optical component comprising a second waveguide type optical element having a plurality of optical waveguides, wherein the first waveguide type optical element and the second waveguide type optical element have different thermal expansion coefficients. The positions of the plurality of optical waveguides of the first waveguide type optical element and the plurality of optical waveguides of the second waveguide type optical element coincide with each other at a reference temperature that is not room temperature. It is characterized by that.
また、本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記基準温度は、予め定めた温度範囲の上限または下限との差のうち大きい方の値が、室温と前記上限または下限との差のうち大きい方の値よりも小さいことを特徴とする。 In addition, according to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the reference temperature has a larger value of a difference between an upper limit or a lower limit of a predetermined temperature range between a room temperature and the upper limit or the lower limit. The difference is smaller than the larger value.
また、本発明の第3の態様は、第2の態様において、前記基準温度は、前記予め定めた温度範囲の中心温度付近であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the reference temperature is near the center temperature of the predetermined temperature range.
また、本発明の第4の態様は、第2又は第3の態様において、前記予め定めた温度範囲は、−5℃以上75℃以下であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the predetermined temperature range is −5 ° C. or higher and 75 ° C. or lower.
また、本発明の第5の態様は、第1から第4のいずれかの態様において、前記第1の導波路型光素子はPLCであり、前記第2の導波路型光素子はLN導波路であることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the first waveguide optical element is a PLC, and the second waveguide optical element is an LN waveguide. It is characterized by being.
本発明によれば、異なる熱膨張係数を有し,それぞれ複数の光導波路を有する導波路型光素子を突き合わせ接続したハイブリッド光モジュールにおいて、室温ではない基準温度において対向する光導波路同士が一致するように接続(調心)することで接続損失を抑制することができる。 According to the present invention, in a hybrid optical module having waveguide-type optical elements having different thermal expansion coefficients and each having a plurality of optical waveguides, the optical waveguides facing each other at a reference temperature that is not room temperature coincide with each other. Connection loss can be suppressed by connecting to (alignment).
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図4は、本発明の実施形態によるハイブリッド光モジュールを説明するための図である。例えば、PLC等の第1の導波路型光素子410と、LN導波路等の第2の導波路型光素子420とが突き合わせ接続されている点は、図2に示した従来の構造と同様であるが、本実施形態では、室温ではない基準温度において、より好ましくは、予め定めた温度範囲の中心温度付近において、第1の導波路型光素子410の複数の光導波路411、412と第2の導波路型光素子420の複数の光導波路421、422との調心を行っている点が異なる。
FIG. 4 is a view for explaining a hybrid optical module according to an embodiment of the present invention. For example, the first waveguide type
室温ではない基準温度において調心を行うことで、光モジュールを使用する最大温度(上限)または最低温度(下限)と調心を行った温度との差を抑制し、その結果として接続損失を抑制することができる。より好ましくは、光モジュールが使用される予め定めた温度範囲の中心温度付近を基準温度とするのがよい。たとえば、予め定めた温度範囲としては、−5℃以上75℃以下が考えられる。この温度範囲は、国際的な標準化推進団体であるOIF(Optical Internetworking Forum)OIF-PMQ-TX-01.0にも規定されており,変調器の標準的な使用温度範囲である. By performing alignment at a reference temperature that is not room temperature, the difference between the maximum temperature (upper limit) or minimum temperature (lower limit) at which the optical module is used and the adjusted temperature is suppressed, and as a result, connection loss is suppressed. can do. More preferably, the vicinity of the center temperature in a predetermined temperature range in which the optical module is used is set as the reference temperature. For example, a predetermined temperature range may be −5 ° C. or higher and 75 ° C. or lower. This temperature range is also specified in OIF (Optical Internetworking Forum) OIF-PMQ-TX-01.0, which is an international standardization promotion organization, and is the standard operating temperature range of modulators.
第1の導波路型光素子410をPLC、第2の導波路型光素子420をLN導波路とした場合を考える。調心する基準温度を35℃とした場合、室温25℃におけるLN導波路の光導波路間隔L1を4000μmとすると、接続損失を最小とするPLCの光導波路間隔は室温で4000.36μmとなる。室温でない35℃を基準温度として調心することにより、25℃近傍では若干の損失が生じるものの、例えば−5℃以上75℃以下の温度範囲における接続損失の最大値が0.5dB以下に抑制できていることを図5は示している。
Consider a case where the first waveguide type
本実施形態では、PLCとLN導波路について具体的な寸法を例示したが、材料の異なる導波路型光素子同士の突き合わせ接続であれば、基準温度で調心することによって、同様の効果を得ることができる。導波路型光素子の材料としては、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系などの樹脂材料、シリコン、InP、GaAsなどの半導体材料、KTNなどの誘電体材料にも適用できる。 In the present embodiment, specific dimensions of the PLC and the LN waveguide are exemplified, but the same effect can be obtained by aligning at the reference temperature if the waveguide type optical elements of different materials are connected to each other. be able to. As a material for the waveguide type optical element, it can be applied to resin materials such as acrylic, epoxy, polyimide, and silicone, semiconductor materials such as silicon, InP, and GaAs, and dielectric materials such as KTN.
410 第1の導波路型光素子
411、412 第1の導波路型光素子410の光導波路
420 第2の導波路型光素子
421、422 第2の導波路型光素子420の光導波路
410 First waveguide type
Claims (5)
前記第1の導波路型光素子に突き合わせ接続された、複数の光導波路を有する第2の導波路型光素子と
を備える光部品において、
前記第1の導波路型光素子と前記第2の導波路型光素子とは、異なる熱膨張係数を有する材料で構成されており、
前記第1の導波路型光素子の前記複数の光導波路と、前記第2の導波路型光素子の前記複数の光導波路の位置が、室温ではない基準温度において一致することを特徴とする光部品。 A first waveguide type optical element having a plurality of optical waveguides;
In an optical component comprising: a second waveguide type optical element having a plurality of optical waveguides connected to the first waveguide type optical element.
The first waveguide type optical element and the second waveguide type optical element are made of materials having different thermal expansion coefficients,
The positions of the plurality of optical waveguides of the first waveguide type optical element and the plurality of optical waveguides of the second waveguide type optical element coincide with each other at a reference temperature that is not room temperature. parts.
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