光変調素子モジュール
【課題】
高温度環境状態においても、動作条件に制限を加えることなく、長期に渡り安定に動作する光変調素子モジュールを提供すること。
【解決手段】
光変調素子１２と、該光変調素子を内蔵するケース１１と、該光変調素子に接続されると共に該ケース外部に導出される入出力ファイバ１３，１４と、該光変調素子に印加する変調信号及びバイアス調整用電圧を導入するための端子とを有し、該ケースを気密封止した光変調素子モジュールにおいて、該ケース１１は、線膨張係数が光変調素子１２とほぼ等しい材料を用い、該光変調素子と該ケースとの固定には、熱可塑性かつ高弾性の接着剤１９を利用することを特徴とする。
高温度環境状態においても、動作条件に制限を加えることなく、長期に渡り安定に動作する光変調素子モジュールを提供すること。
【解決手段】
光変調素子１２と、該光変調素子を内蔵するケース１１と、該光変調素子に接続されると共に該ケース外部に導出される入出力ファイバ１３，１４と、該光変調素子に印加する変調信号及びバイアス調整用電圧を導入するための端子とを有し、該ケースを気密封止した光変調素子モジュールにおいて、該ケース１１は、線膨張係数が光変調素子１２とほぼ等しい材料を用い、該光変調素子と該ケースとの固定には、熱可塑性かつ高弾性の接着剤１９を利用することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光変調素子をケース内に内蔵する光変調素子モジュールに関し、特に高温環境においても安定的に利用可能な光変調素子モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信システムにおいては、光信号の発生手段の一つとして光変調素子が多用されている。このような通信用光変調素子においては、通常の動作環境が−１０℃〜７５℃程度であり、また、保存温度は−４０℃〜８５℃程度である。そして、光変調素子には、この温度範囲にて動作する補償、及び保存において破損しないと云う補償がなされている。
【０００３】
近年、光変調素子の利用環境は多様化しており、例えば、地下資源探査、地震層探査などのリモートセンシング技術のような、信号源を高温環境に配置する必要がある状況においても、光変調素子の利用ニーズが出現している。
【０００４】
地下の状況を調査するリモートセンシング技術においては、図１に示すように、探査用穴１を掘り、地底の圧力、温度、鉱物、ガスなどの情報をセンサ７を用いて検出している。センサ７の検出情報を光信号で送信するには、センサ７の近傍に光変調素子４を配置し、光源３や光検出器９などは、電磁界の影響、地絡電位の差の影響、磁場の影響などを避けて高精度な情報を得るために、地表上に配置し、光源３や光検出器９などと光変調素子４との間は、光ファイバ５、６を介して接続されている。そして、光源３から出射された光を、光変調素子４にて変調し、変調された光信号は、光検出器９で受光し、電気に変換され、さらに復調器１０によりセンサ７に係る情報を地表上にて再生するよう構成されている。
【０００５】
このようなリモートセンシング技術においては、センサ７からの信号を劣化することなく地表上に伝達するため、光変調素子４をセンサ７の近傍に配置する必要がある。地下の場合には、環境温度が測定点の深さに対して約１℃／３０ｍで上昇することから、例えば、現在の地下資源探査、地震層探査においては５ｋｍもの深層に達しているため、光変調素子４の環境温度は約２００℃近くになる場合がある。
【０００６】
このような環境温度においては、通常の構成の光変調器では、種々の不具合が生じる。
具体的には、
(1)ファイバ被覆の劣化によるファイバ破断、
(2)構成部材をケースあるいは部材相互を接着固定している各種接着剤の熱的劣化による光挿入損の増大、
(3)ケースとファイバの線膨張差に起因するファイバ破断などの問題がある。
【０００７】
さらに、光変調素子として、ＬｉＮｂＯ３結晶の表面にマッハツェンダ（ＭＺ）型導波路を形成し、該導波路の近傍に設けた電極間に変調信号を印加して、入力光を強度変調し、被変調光を出力する、所謂ＬＮ光変調器においては、
(4)動作点を設定するためにＤＣ電圧を電極間に印加する必要があるが、該ＤＣ電圧によって内部電界が生じ、該内部電界が上記印加電圧の効果をキャンセルする方向に働くため、動作点を安定に保つためにはより大きなＤＣ電圧を印加しなければならない（ＤＣドリフト現象）。しかも、該ＤＣドリフトは、印加電圧の大きさ、環境温度の高さに大きく影響を受け、初期のＤＣ電圧が大きいほど、また高温度環境であるほど、印加ＤＣ電圧の上限値に達する時間が短くなる。該時間が動作寿命であり、動作条件に制限が生じることとなる。
(5)動作点は温度によってシフトする（温度ドリフト）ため、高温度の環境状態においては、動作条件が制限されることとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した問題を解決し、高温度環境状態においても、動作条件に制限を加えることなく、長期にわたって安定に動作する光変調素子モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明では、光変調素子と、該光変調素子を内蔵するケースと、該光変調素子に接続されると共に該ケース外部に導出される入出力ファイバと、該光変調素子に印加する変調信号及びバイアス調整用電圧を導入するための端子とを有し、該ケースを気密封止した光変調素子モジュールにおいて、該ケースは、線膨張係数が光変調素子とほぼ等しい材料を用い、該光変調素子と該ケースとの固定には、熱可塑性かつ高弾性の接着剤を利用することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光変調素子モジュールにおいて、該ケースと該ファイバとを構成する各材料の線膨張差が、１６×１０−６／℃以下であり、該ファイバにおける該ケース及び該光変調素子との固定点間の距離が３ｍｍ以上であることを特徴とする。ただし、光変調素子とファイバとの固定にキャピラリを用いる場合には、上記距離は、キャピラリの光変調素子と反対側の端面からファイバとケースとの固定点までの距離を意味する。
【００１１】
また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子と該ファイバとの接続は、バット接続で行い、外径が１．２５ｍｍ以上のキャピラリを補強部材とし、せん断力が１８０ｋｇｆ／ｃｍ２以上の光学接着剤を利用することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に係る発明では、請求項３に記載の光変調素子モジュールにおいて、該光学接着剤は、ガラス転移温度が２３０℃以上であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子のクアッド動作点が略０ボルトとなるよう、あるいは、任意の動作点が略０ボルトとなるように予め変調する動作点が調整されていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に係る発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該ファイバの被覆材をポリイミドで構成し、該ファイバと該ケースとの固定に、ファイバと光変調素子とを固着する接着剤のガラス転移温度より低いガラス転移温度を有する接着剤を利用することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子は、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた表面導波路素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明により、ケースの線膨張係数と光変調素子の線膨張係数とを、ほぼ等しくなるように、各材料を選定し、かつ、光変調素子とケースとの固定には、熱可塑性かつ高弾性の接着剤を利用することで、高温環境において、光変調素子やケースが膨張した場合でも、両者間の位置ズレを最小限に抑制でき、仮に位置ズレを生じた場合でも、接着剤が高弾性を有しているため、両者の接合部に掛る応力を緩和することが可能となる。このため、光変調素子に掛る応力を減少でき、温度ドリフト現象を抑制することが可能となる。
【００１７】
請求項２に係る発明により、ケースとファイバとを構成する各材料の線膨張差を１６×１０−６／℃以下とすると共に、ファイバにおけるケース及び光変調素子との固定点間の距離を３ｍｍ以上とすることで、高温環境においてもファイバの破断を防止し、かつ、光変調素子とケースとの組立・調整時のアライメントを確保することが可能となる。
【００１８】
請求項３に係る発明により、光変調素子とファイバとの接続をバット（butt）接続（両者間に空間を設けず、直接的に接触させる接続方法）で行い、外径が１．２５ｍｍ以上のキャピラリを補強部材とし、せん断力が１８０ｋｇｆ／ｃｍ２以上の光学接着剤を利用するため、高温環境における光変調素子とファイバとの接続部に生じるせん断応力で、両者の接続が外れる不具合を防止することが可能となる。
【００１９】
請求項４に係る発明により、請求項３に記載した光学接着剤をガラス転移温度が２３０℃以上のものとすることにより、光変調素子モジュールの使用最高温度が２００℃を超える場合でも、光変調素子とファイバとの接続状態が維持可能であり、接続部の脱落による光信号の中断などの問題を回避することが可能となる。また、接続部が脱落しないまでも、接着剤のガラス転移温度が高いため、接着剤の劣化による光挿入損の増大を抑制することが可能となる。
【００２０】
請求項５に係る発明により、光変調素子のクアッド（QUAD）動作点が略０ボルトとなるよう、あるいは意図する動作点が略０ボルトとなるように予め動作点が調整されているため、ドリフト現象が発生していない状況では、ＤＣバイアスを殆ど印加する必要が無く、光変調素子の動作寿命を長期間とすることが可能となる。
【００２１】
請求項６に係る発明により、ファイバの被覆材をポリイミドで構成し、ファイバとケースとの固定に、ファイバと光変調素子とを固着する接着剤のガラス転移温度より低いガラス転移温度を有する接着剤を利用することにより、高温環境における、ファイバ被覆の劣化によるファイバ破断や、ファイバとケースとの固定部における接着剤の劣化による光挿入損の増大を抑制することが可能となる。しかも、ファイバとケースとを固着する接着剤のガラス転移温度が、ファイバと光変調素子とを接続する接着剤のガラス転移温度より低いため、温度が上昇してもファイバとケースとを固着する接着剤の方が先に溶融状態となるため、ファイバと光変調素子との接続部に余分な引張力が掛るのを抑えることも可能となる。
【００２２】
請求項７に係る発明では、光変調素子がＬｉＮｂＯ３結晶を用いた表面導波路素子であるため、２００℃を超える高温環境においても安定的に動作することが可能となる。
【００２３】
以上説明した各々の技術を単独又は適切に組合わせることにより、最高使用温度が２００℃においても安定で長期な動作寿命を有する光変調素子モジュールを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る光変調素子モジュールについて、以下に詳細に説明する。
以下では、光変調素子として、ＬｉＮｂＯ３結晶（以下、ＬＮという）を用いた表面導波路素子であるＬＮ光変調素子を中心に説明するが、これに限らず他の電気光学効果を有する基板を利用した表面導波路素子であっても良く、さらには、ファイバを介してケースの内外と光を送受するパッシブなモジュールにおいても同様な効果が得られる。
【００２５】
本発明に係る光変調素子モジュールは、図１に示すようなリモートセンシング技術などの、高温環境において光変調素子モジュールを利用する場合に、好適に利用できる。センサ７は、地底の圧力、温度、鉱物、ガスなどの各種情報を検知するためのセンサである。センサ７からの情報は、データ変換部８において、例えば、デジタルのＰＲＢＳ（擬似ランダム信号列）に変換されて、光変調素子４に印加される。
【００２６】
地表上に配置された半導体レーザなどの光源３から、定常光又は所定の周波数を有するパルス光などが出射されており、光ファイバ５を介して光変調素子４に導入される。光ファイバ５から入力された光は、光変調素子４を通過する際に、データ変換部８からの電気信号（変調信号）に応じて変調され、信号光として、光ファイバ６に導出される。信号光は、光検出器９に入射し、該信号光に対応する電気信号に変換され、復調器１０によりセンサ７に係る情報を地表上にて再生するよう構成されている。
【００２７】
本発明に係る光変調素子モジュールは、光変調素子４と、該光変調素子を内蔵するケースと、該光変調素子に接続されると共に該ケース外部に導出される入出力ファイバ５，６と、該光変調素子に印加する変調信号及びバイアス調整用電圧を導入するための端子とを有し、該ケースを気密封止して構成される。
【００２８】
図２は、ＬＮ光変調素子モジュールの概略を示す断面図である。
構成部材としては、ケース１１、光変調素子４に相当するＬＮチップ１２、光ファイバ５の出射端部を構成する入力ファイバ１３、光ファイバ６の入射端部を構成する出力ファイバ１４、各ファイバをチップ１２に接続する際の補強材であるキャピラリ１５，１６、ＬＮチップ端面の補強材である補強部材１７，１８、各ファイバを保護するため被覆材２４，２５、ケース１１を気密封止するための蓋３０などがある。また、図示されていないが、変調信号を入力するＲＦ端子や、バイアス調整用電圧を入力するためのＤＣ端子を備えている。
【００２９】
ケース１１の材料としては、ＬＮチップ１２と線膨張係数が同程度であるＳＵＳを用い、また、補強部材１７，１８には、ＬＮチップと同材質であるＬＮ片を、軸方位を揃えて用いる。さらには、キャピラリ１５，１６としては、ファイバ１３，１４とほぼ同質のガラス材を用いる。
【００３０】
ＬＮチップ１２は、接着剤１９によりケース１１に接着固定される。この場合、通常用いる導電性接着剤においては、その弾性係数が小さく、大幅な温度変化（例えば、−４０℃〜２００℃、以下の説明では、動作温度範囲をこの範囲であるとして説明する）に対して、ＬＮチップ１２とケース１１との間の微小な線膨張係数の差（線膨張差）で生ずる応力を吸収することができず、ＬＮチップに歪みを生じる。このような歪みは、光変調素子の動作点のシフトに繋がり、温度ドリフの原因となる。
【００３１】
この問題に対して、熱可塑性であって、弾性係数が大きな熱硬化接着剤（２５℃における弾性係数が４２００ｋｇ／ｃｍ２以上）を用いることにより、さらには、該接着固化が使用最高温度（２００℃）以上で加熱硬化するように設定することで、接着層１９は前記動作温度範囲において強度を保ち、かつ、応力を吸収し、歪みの発生を抑えることが可能となり、結果として温度ドリフトの低減が可能となる。
【００３２】
図３は、上述した方法でＬＮチップをケース（ＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３０４を利用）に熱硬化性接着剤により固定したＬＮ光変調素子モジュールの温度ドリフト測定例である。２５℃〜２５０℃の範囲において、光変調素子の半波長電圧（Ｖｐｉ）に対する比として、３％以下の動作点変動に抑えられている。
【００３３】
図２の２０，２１は、部分的にハンダメッキしたファイバ部を、最高使用温度（２００℃）以上の融点を持つハンダ（特に、軟化点がファイバと光変調素子とを固着する接着剤のガラス転移温度より低いハンダ）を用いて、ファイバ１３，１４とケース１１とを気密封止する部分を示す。また、２２，２３はファイバ１３，１４をファイバの被覆２４，２５と共にケースに許容最高温度が２００℃以上の接着剤にて接着固定する部分をそれぞれ示している。
【００３４】
接着剤２２，２３は、ファイバをケースに対して固定する機能を有し、後述するファイバと光変調素子との接合を行う２８，２９の部分に比べて、剛性は低くてもよく、また使用最高温度にて連続使用が可能な接着剤であれば良い。この点から、ガラス転移温度が１５０℃以上の非光学的なエポキシ樹脂系接着剤を用いる。
【００３５】
また、ファイバの被覆２４，２５は、使用最高温度においても安定なポリイミド被覆としている。
【００３６】
さらに、補強部材１７，１８とＬＮチップとの接着部２６，２７、及びキャピラリ１５、１６とＬＮチップ端面との接着部２８，２９は、ガラス転移温度（Ｔｇ）が２００℃以上の光学的ＵＶ硬化のエポキシ樹脂系接着剤を用い、アライメントの終了後、所定のＵＶ光の照射により固化し、さらに使用最高温度よりも高い温度にて熱キュアを施す。
【００３７】
ガラス転移温度Ｔｇが使用最高温度より低い場合は、接着層２６〜２９の剛性が該最高温度において低下し、後述するファイバの応力によってファイバが動いてしまい、光挿入損失の増加となる。上述の処理により、前述の動作温度範囲にてファイバと光変調素子の導波路との関係が崩れないため、挿入損の変化が問題にならない程度に小さなバット（butt）接続が実現できる。
【００３８】
蓋３０とケース１１とは、通常のシーム溶接により、あるいは、ケース１１と蓋３０との間に、高融点ハンダ３１，３２を設けてハンダ接続することにより封止される。
【００３９】
以上の構成により、前述した従来の問題点である上記（１），（２），及び（５）に関する解決手段を説明したが、次に上記問題（３）に対する解決手段について説明する。
【００４０】
一般なファイバの特性として、ファイバは圧縮には強いが引張力に対しては弱く、圧縮に対しては坐屈して応力を緩和するが、引張りに対しては破断に至る。
また、ケースに利用される材料の線膨張係数は、ファイバのそれに比べて１桁大きく、例えば、ケース１１のＳＵＳとファイバとの差異は１．５５×１０−５／ｄｅｇ．にもなる。
【００４１】
図４は、モジュール内部のファイバの状態を示す。以下、入力ファイバ１３を例に説明する。ここでは、ファイバ１３のキャピラリ１５端面とケース端面（ファイバとケースとの固定点）との間との距離をＬとする。図４（ａ）のように該Ｌの領域におけるファイバ１３が、使用最高温度よりも低い環境温度において、直線状態での状態である場合には、使用最高温度においては、図４（ｃ）のように上記距離Ｌが膨張して距離Ｌ’となり、キャピラリ１５部分を固定点として矢印３４の引張力が働くため、ファイバ１３は容易に破断に至る。
【００４２】
この問題に対処するためには、使用最高温度状態においてファイバが直線状態（図４（ａ））、又は多少の坐屈を有するような状態（図４（ｂ））となるように、ファイバ１３をケース１１にハンダ２０付けする。
【００４３】
このように坐屈状態とした場合に問題となるのは、最低温度状態でのファイバに掛るせん断力である。図５に示すようなファイバの坐屈状態においては、ファイバ１３は図のような曲線となり、この場合、ファイバの両端（Ａ，Ｃ）、および中央部（Ｂ）に同じ大きさのせん断応力Ｆ３７が働く。このせん断応力３７は、坐屈する前のファイバの長さによって変化する。
【００４４】
図６に、横軸をファイバの長さとし、ファイバとケースとの線膨張差を１５．５×１０−６、温度２２０℃で高温封止した場合（温度２２０℃において、ファイバは引張力の掛らない直線状態とする）において、温度−４５℃におけるせん断応力（曲線３８）を示す。
ファイバのせん断力は約６．５ｋｇｆであるため、図５のＡ，Ｂ，Ｃの各点でのファイバ破断は生じないが、問題はＬＮチップとの接着部分である。接続部２８のせん断力は接着剤のせん断力に接着面積を掛けた値であり、前記バット接続用の高いＴｇを有する光学接着剤として、せん断力１８０ｋｇｆ／ｃｍ２を用いた場合には、安全係数を２として、キャピラリ１５として必要とされる直径は、図６の曲線３９となる。つまり、図６は、あるファイバの長さ（横軸）におけるせん断力の２倍（安全係数）のせん断力を達成するために必要なキャピラリの外径（右縦軸）を示すものである。
ＬＮチップ１２，補強部材１７の厚みはそれぞれ、０．５〜１．０mmであるため、キャピラリ１６（１５）の取り得る直径は１〜２mmとなる。
【００４５】
キャピラリの直径（外径）に対して、破断の安全係数を２とした場合、許されるファイバ長はキャピ直径１mmの場合では約６mm、キャピ直径２mmの場合では約１．５mm以上である。
光変調素子モジュールの短縮化が市場から要求されており、上記ファイバ３６の長さを出来るだけ短くする必要があるが、必要なキャピの直径、モジュールの組立時のアライメントの余裕などを総合的考慮すると、キャピ直径１．２５mm、ファイバの実質長さ３mm以上が実用的な値といえる。
【００４６】
次に、上記問題（４）に対する解決手段について説明する。
図７に、ＬＮチップの構成を、Ｘ−ｃｕｔ基板（基板表面に平行な方向（図７の矢印Ｚの方向）に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸を有する基板）を例に示す。ＬＮチップ１２の表面に導波路４０，４１，４２，４４を形成する。該導波路の４０，４４はそれぞれ入力、出力導波路であり、４１，４２はマッハツェンダ（ＭＺ）型導波路の各分岐導波路を示す。
分岐導波路４１，４２の近傍に電極５３，５４，５５を形成し、電極５３に変調信号であるＲＦ信号を信号源４７からコンデンサ４６を介して印加し、分岐導波路４１，４２を伝播する光に対して相補駆動する構成としている。
【００４７】
また、光変調素子のバイアス点を設定するため、終端器（抵抗４８、コンデンサ４９）の中点から抵抗５０を介してＤＣ電源５２からのＤＣ電圧を電極５３に印加している。ＬＮチップ１２を内蔵するケース１１に対して、外部からの電気信号を導入するため、変調信号を入力するＲＦ端子７０や、バイアス調整用電圧を入力するためのＤＣ端子７１が、ケース１１に設けられている。
入力ファイバ１３から入力される光は入力導波路４０に入り、Ｙ分岐にて５０：５０に分岐して、分岐導波路４１，４２を伝播する。
【００４８】
該分岐導波路を伝播する光は、電極５３に印加されたＲＦ信号によって位相変化を受け、分岐導波路の後半のＹ分岐導波路によって合波され、強度変調を受けた光として出力導波路４４を伝播し、出力ファイバ１４へ出力される。ＭＺ型導波路の光変調素子においては、通常、各分岐導波路の長さを等しくしている。
【００４９】
この場合の光変調素子の変調曲線５６は、図８に示すように、バイアス電圧が０Ｖの時にピーク出力となる。該変調曲線５６に対して振幅がＶｐｉのＰＲＢＳの電気信号５７を光に変換するには、ＰＲＢＳの中点５８がクアッド（ＱＵＡＤ）になる様に−ＶｂのＤＣバイアス電圧（Ｖｂ＝Ｖｐｉ／２）を印加する必要がある。
【００５０】
さて、ＬＮ光変調素子においては、ＤＣ電圧の印加により内部電界が発生し、該内部電界が逆方向であるため、印加したＤＣ電圧が見かけ上低下したかのような現象、所謂ＤＣドリフト現象を生じる。
ＤＣドリフトによって変調曲線が印加電圧に対して横方向にシフトし、図８の点線曲線５９のようになる。
【００５１】
変調曲線上の動作点を一定に保つためには、ＤＣバイアスの印加電圧を大きくする必要がある。自動的に該動作点の動きを追随するよう、自動バイアス制御回路が設けられているが、供給できる電圧値には制限（電源の問題、ＬＮ電極間の絶縁破壊の問題）があり、該制限値に達した時点で動作をリセットさせる必要がある。このリセットまでの期間が、動作寿命であり、該期間は長ければ長いほど望ましい。つまり、ＤＣドリフトは小さいほど好ましい。
【００５２】
ＤＣドリフト現象は温度、初期印加電圧によって変化する。図９に、時間経過に伴うＤＣバイアス電圧の変化を概念的に示す。６０，６１は初期印加電圧の差異を、６２，６３は６０，６１における高温環境でのドリフトの様子を示している。
温度に対して、ＤＣドリフトは指数関数的に増大する様子を示している。使用最高温度を２００℃以上とする場合には、特別に配慮すべき問題であり、初期bias点を０Ｖ近傍とするのが、特に好ましい。
【００５３】
光変調素子のクアッド動作点を略０Ｖとする方法を、図７，図１０を用いて説明する。
図７において、分岐導波路４１又は４２（あるいは両方の分岐導波路）の後半の一部（図７の点線７２より右側部分であり、電極５３とはその長手方向において重ならない部分）において、導波路幅を広くするなど導波路の屈折率を大きくすることにより、分岐導波路４１と４２との間で伝播する光の位相差をπ／２シフトさせる。図７においては、高屈折率部を４３で示す。その結果、動作曲線は図１０の曲線６４のように、初期の曲線５６から右方向にシフトする。つまり、分岐導波路の屈折率と該屈折率を変化させる領域の長さを適切に設定することにより、クアッド点が０Ｖであるような曲線６４が得られる。
【００５４】
光変調素子のクアッド動作点を略０Ｖとすることにより、光変調素子モジュールのＤＣドリフト現象は使用最高温度においても、図９の曲線６３のようになり、長時間の動作寿命が達成できる。
なお、屈折率の変化は、上述したように屈折率を大きくするだけに限らず、屈折率を下げることにより行うことも可能である。また、上述したように各分岐導波路の長さは等しく構成することが好ましいが、クアッド動作点を調整するため、２つの分岐導波路の長さを互いに異なるよう設定することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明に係る光変調素子モジュールにより、高温度環境状態においても、動作条件に制限を加えることなく、長期にわたって安定に動作する光変調素子モジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】リモートセンシング技術の概略を説明する図である。
【図２】本発明に係る光変調素子モジュールの断面図を示す。
【図３】本発明に係る光変調素子モジュールの温度ドリフトの例を示す。
【図４】ケース内でのファイバの破断防止を説明する図である。
【図５】ケース内でのファイバに関するせん断応力の状態を示す図である。
【図６】ファイバの長さとせん断力との関係、並びにキャピラリの外径について説明するグラフである。
【図７】ＬＮチップの概略を説明する図である。
【図８】変調曲線のＤＣドリフトの様子を説明するグラフである。
【図９】経過時間におけるＤＣバイアス電圧の変化の様子を示すグラフである。
【図１０】光変調素子のクアッド動作点を略０Ｖとした場合の変調曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１ 深層探鉱
３ 光源
４ 光変調素子
７ センサ
８ データ変換器
９ 光検出器
１０ 復調器
１２ ＬＮチップ
１３，１４ ファイバ
１９ 高弾性接着剤
２０，２１ ハンダ封止部
２６，２７，２８，２９ 高Ｔｇ接着剤
４３ 高屈折率部
【技術分野】
【０００１】
本発明は光変調素子をケース内に内蔵する光変調素子モジュールに関し、特に高温環境においても安定的に利用可能な光変調素子モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信システムにおいては、光信号の発生手段の一つとして光変調素子が多用されている。このような通信用光変調素子においては、通常の動作環境が−１０℃〜７５℃程度であり、また、保存温度は−４０℃〜８５℃程度である。そして、光変調素子には、この温度範囲にて動作する補償、及び保存において破損しないと云う補償がなされている。
【０００３】
近年、光変調素子の利用環境は多様化しており、例えば、地下資源探査、地震層探査などのリモートセンシング技術のような、信号源を高温環境に配置する必要がある状況においても、光変調素子の利用ニーズが出現している。
【０００４】
地下の状況を調査するリモートセンシング技術においては、図１に示すように、探査用穴１を掘り、地底の圧力、温度、鉱物、ガスなどの情報をセンサ７を用いて検出している。センサ７の検出情報を光信号で送信するには、センサ７の近傍に光変調素子４を配置し、光源３や光検出器９などは、電磁界の影響、地絡電位の差の影響、磁場の影響などを避けて高精度な情報を得るために、地表上に配置し、光源３や光検出器９などと光変調素子４との間は、光ファイバ５、６を介して接続されている。そして、光源３から出射された光を、光変調素子４にて変調し、変調された光信号は、光検出器９で受光し、電気に変換され、さらに復調器１０によりセンサ７に係る情報を地表上にて再生するよう構成されている。
【０００５】
このようなリモートセンシング技術においては、センサ７からの信号を劣化することなく地表上に伝達するため、光変調素子４をセンサ７の近傍に配置する必要がある。地下の場合には、環境温度が測定点の深さに対して約１℃／３０ｍで上昇することから、例えば、現在の地下資源探査、地震層探査においては５ｋｍもの深層に達しているため、光変調素子４の環境温度は約２００℃近くになる場合がある。
【０００６】
このような環境温度においては、通常の構成の光変調器では、種々の不具合が生じる。
具体的には、
(1)ファイバ被覆の劣化によるファイバ破断、
(2)構成部材をケースあるいは部材相互を接着固定している各種接着剤の熱的劣化による光挿入損の増大、
(3)ケースとファイバの線膨張差に起因するファイバ破断などの問題がある。
【０００７】
さらに、光変調素子として、ＬｉＮｂＯ３結晶の表面にマッハツェンダ（ＭＺ）型導波路を形成し、該導波路の近傍に設けた電極間に変調信号を印加して、入力光を強度変調し、被変調光を出力する、所謂ＬＮ光変調器においては、
(4)動作点を設定するためにＤＣ電圧を電極間に印加する必要があるが、該ＤＣ電圧によって内部電界が生じ、該内部電界が上記印加電圧の効果をキャンセルする方向に働くため、動作点を安定に保つためにはより大きなＤＣ電圧を印加しなければならない（ＤＣドリフト現象）。しかも、該ＤＣドリフトは、印加電圧の大きさ、環境温度の高さに大きく影響を受け、初期のＤＣ電圧が大きいほど、また高温度環境であるほど、印加ＤＣ電圧の上限値に達する時間が短くなる。該時間が動作寿命であり、動作条件に制限が生じることとなる。
(5)動作点は温度によってシフトする（温度ドリフト）ため、高温度の環境状態においては、動作条件が制限されることとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述した問題を解決し、高温度環境状態においても、動作条件に制限を加えることなく、長期にわたって安定に動作する光変調素子モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明では、光変調素子と、該光変調素子を内蔵するケースと、該光変調素子に接続されると共に該ケース外部に導出される入出力ファイバと、該光変調素子に印加する変調信号及びバイアス調整用電圧を導入するための端子とを有し、該ケースを気密封止した光変調素子モジュールにおいて、該ケースは、線膨張係数が光変調素子とほぼ等しい材料を用い、該光変調素子と該ケースとの固定には、熱可塑性かつ高弾性の接着剤を利用することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光変調素子モジュールにおいて、該ケースと該ファイバとを構成する各材料の線膨張差が、１６×１０−６／℃以下であり、該ファイバにおける該ケース及び該光変調素子との固定点間の距離が３ｍｍ以上であることを特徴とする。ただし、光変調素子とファイバとの固定にキャピラリを用いる場合には、上記距離は、キャピラリの光変調素子と反対側の端面からファイバとケースとの固定点までの距離を意味する。
【００１１】
また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子と該ファイバとの接続は、バット接続で行い、外径が１．２５ｍｍ以上のキャピラリを補強部材とし、せん断力が１８０ｋｇｆ／ｃｍ２以上の光学接着剤を利用することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に係る発明では、請求項３に記載の光変調素子モジュールにおいて、該光学接着剤は、ガラス転移温度が２３０℃以上であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に係る発明では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子のクアッド動作点が略０ボルトとなるよう、あるいは、任意の動作点が略０ボルトとなるように予め変調する動作点が調整されていることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に係る発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該ファイバの被覆材をポリイミドで構成し、該ファイバと該ケースとの固定に、ファイバと光変調素子とを固着する接着剤のガラス転移温度より低いガラス転移温度を有する接着剤を利用することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に係る発明では、請求項１乃至６のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子は、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた表面導波路素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明により、ケースの線膨張係数と光変調素子の線膨張係数とを、ほぼ等しくなるように、各材料を選定し、かつ、光変調素子とケースとの固定には、熱可塑性かつ高弾性の接着剤を利用することで、高温環境において、光変調素子やケースが膨張した場合でも、両者間の位置ズレを最小限に抑制でき、仮に位置ズレを生じた場合でも、接着剤が高弾性を有しているため、両者の接合部に掛る応力を緩和することが可能となる。このため、光変調素子に掛る応力を減少でき、温度ドリフト現象を抑制することが可能となる。
【００１７】
請求項２に係る発明により、ケースとファイバとを構成する各材料の線膨張差を１６×１０−６／℃以下とすると共に、ファイバにおけるケース及び光変調素子との固定点間の距離を３ｍｍ以上とすることで、高温環境においてもファイバの破断を防止し、かつ、光変調素子とケースとの組立・調整時のアライメントを確保することが可能となる。
【００１８】
請求項３に係る発明により、光変調素子とファイバとの接続をバット（butt）接続（両者間に空間を設けず、直接的に接触させる接続方法）で行い、外径が１．２５ｍｍ以上のキャピラリを補強部材とし、せん断力が１８０ｋｇｆ／ｃｍ２以上の光学接着剤を利用するため、高温環境における光変調素子とファイバとの接続部に生じるせん断応力で、両者の接続が外れる不具合を防止することが可能となる。
【００１９】
請求項４に係る発明により、請求項３に記載した光学接着剤をガラス転移温度が２３０℃以上のものとすることにより、光変調素子モジュールの使用最高温度が２００℃を超える場合でも、光変調素子とファイバとの接続状態が維持可能であり、接続部の脱落による光信号の中断などの問題を回避することが可能となる。また、接続部が脱落しないまでも、接着剤のガラス転移温度が高いため、接着剤の劣化による光挿入損の増大を抑制することが可能となる。
【００２０】
請求項５に係る発明により、光変調素子のクアッド（QUAD）動作点が略０ボルトとなるよう、あるいは意図する動作点が略０ボルトとなるように予め動作点が調整されているため、ドリフト現象が発生していない状況では、ＤＣバイアスを殆ど印加する必要が無く、光変調素子の動作寿命を長期間とすることが可能となる。
【００２１】
請求項６に係る発明により、ファイバの被覆材をポリイミドで構成し、ファイバとケースとの固定に、ファイバと光変調素子とを固着する接着剤のガラス転移温度より低いガラス転移温度を有する接着剤を利用することにより、高温環境における、ファイバ被覆の劣化によるファイバ破断や、ファイバとケースとの固定部における接着剤の劣化による光挿入損の増大を抑制することが可能となる。しかも、ファイバとケースとを固着する接着剤のガラス転移温度が、ファイバと光変調素子とを接続する接着剤のガラス転移温度より低いため、温度が上昇してもファイバとケースとを固着する接着剤の方が先に溶融状態となるため、ファイバと光変調素子との接続部に余分な引張力が掛るのを抑えることも可能となる。
【００２２】
請求項７に係る発明では、光変調素子がＬｉＮｂＯ３結晶を用いた表面導波路素子であるため、２００℃を超える高温環境においても安定的に動作することが可能となる。
【００２３】
以上説明した各々の技術を単独又は適切に組合わせることにより、最高使用温度が２００℃においても安定で長期な動作寿命を有する光変調素子モジュールを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る光変調素子モジュールについて、以下に詳細に説明する。
以下では、光変調素子として、ＬｉＮｂＯ３結晶（以下、ＬＮという）を用いた表面導波路素子であるＬＮ光変調素子を中心に説明するが、これに限らず他の電気光学効果を有する基板を利用した表面導波路素子であっても良く、さらには、ファイバを介してケースの内外と光を送受するパッシブなモジュールにおいても同様な効果が得られる。
【００２５】
本発明に係る光変調素子モジュールは、図１に示すようなリモートセンシング技術などの、高温環境において光変調素子モジュールを利用する場合に、好適に利用できる。センサ７は、地底の圧力、温度、鉱物、ガスなどの各種情報を検知するためのセンサである。センサ７からの情報は、データ変換部８において、例えば、デジタルのＰＲＢＳ（擬似ランダム信号列）に変換されて、光変調素子４に印加される。
【００２６】
地表上に配置された半導体レーザなどの光源３から、定常光又は所定の周波数を有するパルス光などが出射されており、光ファイバ５を介して光変調素子４に導入される。光ファイバ５から入力された光は、光変調素子４を通過する際に、データ変換部８からの電気信号（変調信号）に応じて変調され、信号光として、光ファイバ６に導出される。信号光は、光検出器９に入射し、該信号光に対応する電気信号に変換され、復調器１０によりセンサ７に係る情報を地表上にて再生するよう構成されている。
【００２７】
本発明に係る光変調素子モジュールは、光変調素子４と、該光変調素子を内蔵するケースと、該光変調素子に接続されると共に該ケース外部に導出される入出力ファイバ５，６と、該光変調素子に印加する変調信号及びバイアス調整用電圧を導入するための端子とを有し、該ケースを気密封止して構成される。
【００２８】
図２は、ＬＮ光変調素子モジュールの概略を示す断面図である。
構成部材としては、ケース１１、光変調素子４に相当するＬＮチップ１２、光ファイバ５の出射端部を構成する入力ファイバ１３、光ファイバ６の入射端部を構成する出力ファイバ１４、各ファイバをチップ１２に接続する際の補強材であるキャピラリ１５，１６、ＬＮチップ端面の補強材である補強部材１７，１８、各ファイバを保護するため被覆材２４，２５、ケース１１を気密封止するための蓋３０などがある。また、図示されていないが、変調信号を入力するＲＦ端子や、バイアス調整用電圧を入力するためのＤＣ端子を備えている。
【００２９】
ケース１１の材料としては、ＬＮチップ１２と線膨張係数が同程度であるＳＵＳを用い、また、補強部材１７，１８には、ＬＮチップと同材質であるＬＮ片を、軸方位を揃えて用いる。さらには、キャピラリ１５，１６としては、ファイバ１３，１４とほぼ同質のガラス材を用いる。
【００３０】
ＬＮチップ１２は、接着剤１９によりケース１１に接着固定される。この場合、通常用いる導電性接着剤においては、その弾性係数が小さく、大幅な温度変化（例えば、−４０℃〜２００℃、以下の説明では、動作温度範囲をこの範囲であるとして説明する）に対して、ＬＮチップ１２とケース１１との間の微小な線膨張係数の差（線膨張差）で生ずる応力を吸収することができず、ＬＮチップに歪みを生じる。このような歪みは、光変調素子の動作点のシフトに繋がり、温度ドリフの原因となる。
【００３１】
この問題に対して、熱可塑性であって、弾性係数が大きな熱硬化接着剤（２５℃における弾性係数が４２００ｋｇ／ｃｍ２以上）を用いることにより、さらには、該接着固化が使用最高温度（２００℃）以上で加熱硬化するように設定することで、接着層１９は前記動作温度範囲において強度を保ち、かつ、応力を吸収し、歪みの発生を抑えることが可能となり、結果として温度ドリフトの低減が可能となる。
【００３２】
図３は、上述した方法でＬＮチップをケース（ＳＵＳ３０３，ＳＵＳ３０４を利用）に熱硬化性接着剤により固定したＬＮ光変調素子モジュールの温度ドリフト測定例である。２５℃〜２５０℃の範囲において、光変調素子の半波長電圧（Ｖｐｉ）に対する比として、３％以下の動作点変動に抑えられている。
【００３３】
図２の２０，２１は、部分的にハンダメッキしたファイバ部を、最高使用温度（２００℃）以上の融点を持つハンダ（特に、軟化点がファイバと光変調素子とを固着する接着剤のガラス転移温度より低いハンダ）を用いて、ファイバ１３，１４とケース１１とを気密封止する部分を示す。また、２２，２３はファイバ１３，１４をファイバの被覆２４，２５と共にケースに許容最高温度が２００℃以上の接着剤にて接着固定する部分をそれぞれ示している。
【００３４】
接着剤２２，２３は、ファイバをケースに対して固定する機能を有し、後述するファイバと光変調素子との接合を行う２８，２９の部分に比べて、剛性は低くてもよく、また使用最高温度にて連続使用が可能な接着剤であれば良い。この点から、ガラス転移温度が１５０℃以上の非光学的なエポキシ樹脂系接着剤を用いる。
【００３５】
また、ファイバの被覆２４，２５は、使用最高温度においても安定なポリイミド被覆としている。
【００３６】
さらに、補強部材１７，１８とＬＮチップとの接着部２６，２７、及びキャピラリ１５、１６とＬＮチップ端面との接着部２８，２９は、ガラス転移温度（Ｔｇ）が２００℃以上の光学的ＵＶ硬化のエポキシ樹脂系接着剤を用い、アライメントの終了後、所定のＵＶ光の照射により固化し、さらに使用最高温度よりも高い温度にて熱キュアを施す。
【００３７】
ガラス転移温度Ｔｇが使用最高温度より低い場合は、接着層２６〜２９の剛性が該最高温度において低下し、後述するファイバの応力によってファイバが動いてしまい、光挿入損失の増加となる。上述の処理により、前述の動作温度範囲にてファイバと光変調素子の導波路との関係が崩れないため、挿入損の変化が問題にならない程度に小さなバット（butt）接続が実現できる。
【００３８】
蓋３０とケース１１とは、通常のシーム溶接により、あるいは、ケース１１と蓋３０との間に、高融点ハンダ３１，３２を設けてハンダ接続することにより封止される。
【００３９】
以上の構成により、前述した従来の問題点である上記（１），（２），及び（５）に関する解決手段を説明したが、次に上記問題（３）に対する解決手段について説明する。
【００４０】
一般なファイバの特性として、ファイバは圧縮には強いが引張力に対しては弱く、圧縮に対しては坐屈して応力を緩和するが、引張りに対しては破断に至る。
また、ケースに利用される材料の線膨張係数は、ファイバのそれに比べて１桁大きく、例えば、ケース１１のＳＵＳとファイバとの差異は１．５５×１０−５／ｄｅｇ．にもなる。
【００４１】
図４は、モジュール内部のファイバの状態を示す。以下、入力ファイバ１３を例に説明する。ここでは、ファイバ１３のキャピラリ１５端面とケース端面（ファイバとケースとの固定点）との間との距離をＬとする。図４（ａ）のように該Ｌの領域におけるファイバ１３が、使用最高温度よりも低い環境温度において、直線状態での状態である場合には、使用最高温度においては、図４（ｃ）のように上記距離Ｌが膨張して距離Ｌ’となり、キャピラリ１５部分を固定点として矢印３４の引張力が働くため、ファイバ１３は容易に破断に至る。
【００４２】
この問題に対処するためには、使用最高温度状態においてファイバが直線状態（図４（ａ））、又は多少の坐屈を有するような状態（図４（ｂ））となるように、ファイバ１３をケース１１にハンダ２０付けする。
【００４３】
このように坐屈状態とした場合に問題となるのは、最低温度状態でのファイバに掛るせん断力である。図５に示すようなファイバの坐屈状態においては、ファイバ１３は図のような曲線となり、この場合、ファイバの両端（Ａ，Ｃ）、および中央部（Ｂ）に同じ大きさのせん断応力Ｆ３７が働く。このせん断応力３７は、坐屈する前のファイバの長さによって変化する。
【００４４】
図６に、横軸をファイバの長さとし、ファイバとケースとの線膨張差を１５．５×１０−６、温度２２０℃で高温封止した場合（温度２２０℃において、ファイバは引張力の掛らない直線状態とする）において、温度−４５℃におけるせん断応力（曲線３８）を示す。
ファイバのせん断力は約６．５ｋｇｆであるため、図５のＡ，Ｂ，Ｃの各点でのファイバ破断は生じないが、問題はＬＮチップとの接着部分である。接続部２８のせん断力は接着剤のせん断力に接着面積を掛けた値であり、前記バット接続用の高いＴｇを有する光学接着剤として、せん断力１８０ｋｇｆ／ｃｍ２を用いた場合には、安全係数を２として、キャピラリ１５として必要とされる直径は、図６の曲線３９となる。つまり、図６は、あるファイバの長さ（横軸）におけるせん断力の２倍（安全係数）のせん断力を達成するために必要なキャピラリの外径（右縦軸）を示すものである。
ＬＮチップ１２，補強部材１７の厚みはそれぞれ、０．５〜１．０mmであるため、キャピラリ１６（１５）の取り得る直径は１〜２mmとなる。
【００４５】
キャピラリの直径（外径）に対して、破断の安全係数を２とした場合、許されるファイバ長はキャピ直径１mmの場合では約６mm、キャピ直径２mmの場合では約１．５mm以上である。
光変調素子モジュールの短縮化が市場から要求されており、上記ファイバ３６の長さを出来るだけ短くする必要があるが、必要なキャピの直径、モジュールの組立時のアライメントの余裕などを総合的考慮すると、キャピ直径１．２５mm、ファイバの実質長さ３mm以上が実用的な値といえる。
【００４６】
次に、上記問題（４）に対する解決手段について説明する。
図７に、ＬＮチップの構成を、Ｘ−ｃｕｔ基板（基板表面に平行な方向（図７の矢印Ｚの方向）に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸を有する基板）を例に示す。ＬＮチップ１２の表面に導波路４０，４１，４２，４４を形成する。該導波路の４０，４４はそれぞれ入力、出力導波路であり、４１，４２はマッハツェンダ（ＭＺ）型導波路の各分岐導波路を示す。
分岐導波路４１，４２の近傍に電極５３，５４，５５を形成し、電極５３に変調信号であるＲＦ信号を信号源４７からコンデンサ４６を介して印加し、分岐導波路４１，４２を伝播する光に対して相補駆動する構成としている。
【００４７】
また、光変調素子のバイアス点を設定するため、終端器（抵抗４８、コンデンサ４９）の中点から抵抗５０を介してＤＣ電源５２からのＤＣ電圧を電極５３に印加している。ＬＮチップ１２を内蔵するケース１１に対して、外部からの電気信号を導入するため、変調信号を入力するＲＦ端子７０や、バイアス調整用電圧を入力するためのＤＣ端子７１が、ケース１１に設けられている。
入力ファイバ１３から入力される光は入力導波路４０に入り、Ｙ分岐にて５０：５０に分岐して、分岐導波路４１，４２を伝播する。
【００４８】
該分岐導波路を伝播する光は、電極５３に印加されたＲＦ信号によって位相変化を受け、分岐導波路の後半のＹ分岐導波路によって合波され、強度変調を受けた光として出力導波路４４を伝播し、出力ファイバ１４へ出力される。ＭＺ型導波路の光変調素子においては、通常、各分岐導波路の長さを等しくしている。
【００４９】
この場合の光変調素子の変調曲線５６は、図８に示すように、バイアス電圧が０Ｖの時にピーク出力となる。該変調曲線５６に対して振幅がＶｐｉのＰＲＢＳの電気信号５７を光に変換するには、ＰＲＢＳの中点５８がクアッド（ＱＵＡＤ）になる様に−ＶｂのＤＣバイアス電圧（Ｖｂ＝Ｖｐｉ／２）を印加する必要がある。
【００５０】
さて、ＬＮ光変調素子においては、ＤＣ電圧の印加により内部電界が発生し、該内部電界が逆方向であるため、印加したＤＣ電圧が見かけ上低下したかのような現象、所謂ＤＣドリフト現象を生じる。
ＤＣドリフトによって変調曲線が印加電圧に対して横方向にシフトし、図８の点線曲線５９のようになる。
【００５１】
変調曲線上の動作点を一定に保つためには、ＤＣバイアスの印加電圧を大きくする必要がある。自動的に該動作点の動きを追随するよう、自動バイアス制御回路が設けられているが、供給できる電圧値には制限（電源の問題、ＬＮ電極間の絶縁破壊の問題）があり、該制限値に達した時点で動作をリセットさせる必要がある。このリセットまでの期間が、動作寿命であり、該期間は長ければ長いほど望ましい。つまり、ＤＣドリフトは小さいほど好ましい。
【００５２】
ＤＣドリフト現象は温度、初期印加電圧によって変化する。図９に、時間経過に伴うＤＣバイアス電圧の変化を概念的に示す。６０，６１は初期印加電圧の差異を、６２，６３は６０，６１における高温環境でのドリフトの様子を示している。
温度に対して、ＤＣドリフトは指数関数的に増大する様子を示している。使用最高温度を２００℃以上とする場合には、特別に配慮すべき問題であり、初期bias点を０Ｖ近傍とするのが、特に好ましい。
【００５３】
光変調素子のクアッド動作点を略０Ｖとする方法を、図７，図１０を用いて説明する。
図７において、分岐導波路４１又は４２（あるいは両方の分岐導波路）の後半の一部（図７の点線７２より右側部分であり、電極５３とはその長手方向において重ならない部分）において、導波路幅を広くするなど導波路の屈折率を大きくすることにより、分岐導波路４１と４２との間で伝播する光の位相差をπ／２シフトさせる。図７においては、高屈折率部を４３で示す。その結果、動作曲線は図１０の曲線６４のように、初期の曲線５６から右方向にシフトする。つまり、分岐導波路の屈折率と該屈折率を変化させる領域の長さを適切に設定することにより、クアッド点が０Ｖであるような曲線６４が得られる。
【００５４】
光変調素子のクアッド動作点を略０Ｖとすることにより、光変調素子モジュールのＤＣドリフト現象は使用最高温度においても、図９の曲線６３のようになり、長時間の動作寿命が達成できる。
なお、屈折率の変化は、上述したように屈折率を大きくするだけに限らず、屈折率を下げることにより行うことも可能である。また、上述したように各分岐導波路の長さは等しく構成することが好ましいが、クアッド動作点を調整するため、２つの分岐導波路の長さを互いに異なるよう設定することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明に係る光変調素子モジュールにより、高温度環境状態においても、動作条件に制限を加えることなく、長期にわたって安定に動作する光変調素子モジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】リモートセンシング技術の概略を説明する図である。
【図２】本発明に係る光変調素子モジュールの断面図を示す。
【図３】本発明に係る光変調素子モジュールの温度ドリフトの例を示す。
【図４】ケース内でのファイバの破断防止を説明する図である。
【図５】ケース内でのファイバに関するせん断応力の状態を示す図である。
【図６】ファイバの長さとせん断力との関係、並びにキャピラリの外径について説明するグラフである。
【図７】ＬＮチップの概略を説明する図である。
【図８】変調曲線のＤＣドリフトの様子を説明するグラフである。
【図９】経過時間におけるＤＣバイアス電圧の変化の様子を示すグラフである。
【図１０】光変調素子のクアッド動作点を略０Ｖとした場合の変調曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１ 深層探鉱
３ 光源
４ 光変調素子
７ センサ
８ データ変換器
９ 光検出器
１０ 復調器
１２ ＬＮチップ
１３，１４ ファイバ
１９ 高弾性接着剤
２０，２１ ハンダ封止部
２６，２７，２８，２９ 高Ｔｇ接着剤
４３ 高屈折率部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調素子と、該光変調素子を内蔵するケースと、該光変調素子に接続されると共に該ケース外部に導出される入出力ファイバと、該光変調素子に印加する変調信号及びバイアス調整用電圧を導入するための端子とを有し、該ケースを気密封止した光変調素子モジュールにおいて、
該ケースは、線膨張係数が光変調素子とほぼ等しい材料を用い、該光変調素子と該ケースとの固定には、熱可塑性かつ高弾性の接着剤を利用することを特徴とする光変調素子モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調素子モジュールにおいて、該ケースと該ファイバとを構成する各材料の線膨張差が、１６×１０−６／℃以下であり、該ファイバにおける該ケース及び該光変調素子との固定点間の距離が３ｍｍ以上であることを特徴とする光変調素子モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子と該ファイバとの接続は、バット接続で行い、外径が１．２５ｍｍ以上のキャピラリを補強部材とし、せん断力が１８０ｋｇｆ／ｃｍ２以上の光学接着剤を利用することを特徴とする光変調素子モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の光変調素子モジュールにおいて、該光学接着剤は、ガラス転移温度が２３０℃以上であることを特徴とする光変調器モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子のクアッド動作点が略０ボルトとなるよう、あるいは、任意の動作点が略０ボルトとなるように予め変調する動作点が調整されていることを特徴とする光変調素子モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該ファイバの被覆材をポリイミドで構成し、該ファイバと該ケースとの固定に、ファイバと光変調素子とを固着する接着剤のガラス転移温度より低いガラス転移温度を有する接着剤を利用することを特徴とする光変調器モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子は、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた表面導波路素子であることを特徴とする光変調素子モジュール。
【請求項１】
光変調素子と、該光変調素子を内蔵するケースと、該光変調素子に接続されると共に該ケース外部に導出される入出力ファイバと、該光変調素子に印加する変調信号及びバイアス調整用電圧を導入するための端子とを有し、該ケースを気密封止した光変調素子モジュールにおいて、
該ケースは、線膨張係数が光変調素子とほぼ等しい材料を用い、該光変調素子と該ケースとの固定には、熱可塑性かつ高弾性の接着剤を利用することを特徴とする光変調素子モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調素子モジュールにおいて、該ケースと該ファイバとを構成する各材料の線膨張差が、１６×１０−６／℃以下であり、該ファイバにおける該ケース及び該光変調素子との固定点間の距離が３ｍｍ以上であることを特徴とする光変調素子モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子と該ファイバとの接続は、バット接続で行い、外径が１．２５ｍｍ以上のキャピラリを補強部材とし、せん断力が１８０ｋｇｆ／ｃｍ２以上の光学接着剤を利用することを特徴とする光変調素子モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の光変調素子モジュールにおいて、該光学接着剤は、ガラス転移温度が２３０℃以上であることを特徴とする光変調器モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子のクアッド動作点が略０ボルトとなるよう、あるいは、任意の動作点が略０ボルトとなるように予め変調する動作点が調整されていることを特徴とする光変調素子モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該ファイバの被覆材をポリイミドで構成し、該ファイバと該ケースとの固定に、ファイバと光変調素子とを固着する接着剤のガラス転移温度より低いガラス転移温度を有する接着剤を利用することを特徴とする光変調器モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の光変調素子モジュールにおいて、該光変調素子は、ＬｉＮｂＯ３結晶を用いた表面導波路素子であることを特徴とする光変調素子モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−５３１８９（Ｐ２００６−５３１８９Ａ）
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２３２７４２（Ｐ２００４−２３２７４２）
【出願日】平成１６年８月９日（２００４．８．９）
【出願人】（０００１８３２６６）住友大阪セメント株式会社 (1,342)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月９日（２００４．８．９）
【出願人】（０００１８３２６６）住友大阪セメント株式会社 (1,342)
【Ｆターム（参考）】
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