JP5145403B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学効果を利用して、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射し、環境温度に対してＤＣバイアス電圧の変化が小さな光変調器に関する。

近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。

このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。

以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したＬＮ光変調器について説明する。

（第１の従来技術）
特許文献１に開示された、ｚ−カットＬＮ基板を用いて構成した、いわゆるリッジ型ＬＮ光変調器を第１の従来技術の光変調器として図４にその概略斜視図を示す。ここで、図５は図４の概略上面図であり、図６は図４と図５のＡ−Ａ´線における概略断面図である。

ｚ−カットＬＮ基板１上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。したがって、光導波路３の電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。

この光導波路３の上面にＳｉＯ_２バッファ層２が形成され、このＳｉＯ_２バッファ層２の上面に導電層５を介して進行波電極４が形成されている。導電層５はｚ−カットＬＮ基板１を用いて製作したＬＮ光変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するための導電層であり、通常はＳｉ導電層を用いる。進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いている。なお、通常、進行波電極４は貴金属材料であるＡｕにより形成されている。中心導体４ａは各種の値をとるが、多くの場合７μｍ程度であり、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップも各種の値をとるが、１５μｍ程度であることが多い。なお、説明を簡単にするために、図４では図示した温度ドリフト抑圧のためのＳｉ導電層５を図５や図６においては省略している。また、以下においてもＳｉ導電層５は省略して議論する。６は高周波電気信号（あるいは、マイクロ波）の給電線であり、高周波コネクタやマイクロ波線路である。７は高周波電気信号の出力線路であり、通常電気的終端が使われるが、高周波コネクタやマイクロ波線路でも良い。

また、図５のＩとして示された領域では、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとを伝搬する高周波電気信号と２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光とが相互作用するので、高周波電気信号用相互作用部（あるいは簡単に相互作用部）と呼ばれる。

この第１の従来技術では、ｚ−カットＬＮ基板１をエッチングなどで掘り込むことにより、凹部９ａ、９ｂ、及び９ｃ（あるいは、リッジ部８ａ、８ｂとも言える）を形成している。ここで、１２はリッジ部（ここでは８ａ）の側壁である。

このリッジ構造をとることにより、高周波電気信号（あるいは、マイクロ波）の実効屈折率（あるいは、マイクロ波実効屈折率）、特性インピーダンス、変調帯域、駆動電圧などにおいて優れた特性を実現することができる。なお、図６では凹部９ａ、９ｂ、及び９ｃの深さ（あるいはリッジ部８ａ、８ｂの高さ）を強調して描いているが、実際には数μｍ程度の深さであり、中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃの厚み数十μｍに比較するとその値は小さい。

次に、この第１の従来技術からなるＬＮ光変調器の動作について説明する。このＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にＤＣバイアス電圧と高周波電気信号とを印加する必要がある。

図７に示す電圧−光出力特性はＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖｂはその際のＤＣバイアス電圧である。この図７に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。この第１の従来技術では高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用部ＩにＤＣバイアス電圧も印加するので、高周波電気信号の出力部に設ける不図示の電気的終端にコンデンサーを具備させることによりバイアスＴの機能を持たせる必要があり、構造が複雑となってしまう。

（第２の従来技術）
図８は第２の従来技術であり、第１の従来技術において必要であったバイアスＴを無くすために、不図示の電気的終端を抵抗のみとし、ＤＣバイアスを新たに設けたＤＣバイアス用相互作用部（あるいは簡単にＤＣバイアス部）ＩＩに印加する構造とした、いわゆるバイアス分離構造のＬＮ光変調器である。この構造では高周波電気信号が相互作用光導波路３ａ、３ｂと相互作用する高周波電気信号用相互作用部Ｉと、ＤＣバイアス電圧が相互作用光導波路３ａ、３ｂに印加されるＤＣバイアス部ＩＩを具備しており、バイアス分離型構造と呼ばれる。その一例が特許文献２に開示されている。

図８のＢ−Ｂ´とＣ−Ｃ´における断面図を各々図９（ａ）と（ｂ）に示す。ここで、４ａ´は中心導体、４ｂ´と４ｃ´は接地導体である。９ａ´、９ｂ´、及び９ｃ´はＤＣバイアス部の凹部であり、リッジ部８ａ´、８ｂ´を形成している。１１ａと１１ｂはＤＣバイアス電極である。

ここで、図８、図９に示した第２の従来技術の問題点について考察する。図９（ａ）に示した相互作用部Ｉについては特許文献３に開示された構造により温度ドリフトを抑圧できる。その一方、この特許文献３の構造はＤＣバイアス電極１１ａ、１１ｂの厚みが数十μｍと厚く形成されている。従って、環境温度が変化した際に、ＤＣバイアス電極１１ａ、１１ｂを構成するＡｕ、ＳｉＯ_２バッファ層２、及びＬＮ基板１の熱膨張係数が互いに大きく異なるため、ＤＣバイアス電圧が変化するいわゆる温度ドリフトが発生する。この場合、特にＡｕの影響が大きい。

特開平４−２８８５１８号公報 特開２００８−１２２７８６号公報 特許４１７０３７６号公報

以上のように、ＤＣバイアス部における温度ドリフトを抑えることが、ＬＮ光変調器全体としての温度ドリフト抑圧に必要とされる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ＤＣバイアス部における簡易で効果的な温度ドリフト抑圧の構造を有する光変調器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記光にバイアス電圧を印加するための中心導体及び接地導体からなるバイアス電極とを有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのバイアス用相互作用部とが具備され、前記高周波電気信号用相互作用部と前記バイアス用相互作用部の両方に前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部を具備し、温度ドリフトを抑圧するよう、前記バイアス電極が３．８μｍ以下の所定厚さでなることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２に記載の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記光にバイアス電圧を印加するための中心導体及び接地導体からなるバイアス電極とを有し、前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのバイアス用相互作用部とが具備され、前記高周波電気信号用相互作用部と前記バイアス用相互作用部の両方に前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部を具備し、温度ドリフトを抑圧するよう、前記バイアス電極が０．５μｍ以下の所定厚さでなることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３に記載の光変調器は、請求項１または２に記載の光変調器において、少なくとも、前記バイアス用相互作用部の前記光導波路の上方に形成された前記バイアス電極が、前記所定厚さでなることを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項４に記載の光変調器は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調器において、前記バイアス電極の前記所定厚さが１００Å以上であることを特徴としている。

本発明に係る光変調器では、ＤＣバイアス部におけるＤＣバイアス電極の厚みを３．５μｍ以下、好適には０．５μｍ以下の所定厚さとすることにより、著しく温度ドリフトが抑圧された極めて簡易で製作が容易な光変調器を提供できるという優れた利点がある。

本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す上面図 （ａ）図１のＤ−Ｄ´における断面図、（ｂ）図１のＥ−Ｅ´における断面図 本発明の原理を説明する図 第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図 第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す上面図 図４のＡ−Ａ´における断面図 光変調器の動作原理を説明する図 第２の従来技術の光変調器についての概略構成を示す上面図 （ａ）図８のＢ−Ｂ´における断面図、（ｂ）図８のＣ−Ｃ´における断面図

以下、本発明の実施形態について説明するが、図４から図９に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は本発明における第１の実施形態の上面図である。図１のＤ−Ｄ´とＥ−Ｅ´における断面図を各々図２（ａ）、（ｂ）に示す。高周波電気信号用相互作用部Ｉに対応する図２（ａ）からわかるように、第１の従来技術や第２の従来技術と同様に、中心導体４ａ´と接地導体４ｂ´、４ｃ´とからなる進行波電極を伝搬する高周波電気信号の実効屈折率が高周波電気信号用相互作用光導波路３ｂを伝搬する光の等価屈折率に近くなるように、中心導体４ａ´と接地導体４ｂ´、４ｃ´の厚みは厚い。

一方、図２（ｂ）からわかるように、ＤＣバイアス部ＩＩのＤＣバイアス電極１１ａ´、１１ｂ´の厚みは薄い。図３にはＬＮ光変調器の環境温度が２５℃から８０℃まで変化した際におけるＤＣバイアスの変化、いわゆる温度ドリフトを示す。図からわかるようにＤＣバイアス電極１１ａ´、１１ｂ´の厚みを３．８μｍ以下にすると温度ドリフト抑圧の効果が大きく、さらにＤＣバイアス電極１１ａ´、１１ｂ´の厚みを０．５μｍ以下にすると著しい効果があることがわかる。一方、ＤＣバイアス電極１１ａ´、１１ｂ´の厚みは、メタルの強度を保持するために１００Å以上で形成するとよい。

なお、全てのＤＣバイアス電極についてそれらの厚みを薄くすることが好ましいが、特に相互作用光導波路３ａ、３ｂの上方にあるＤＣバイアス電極の影響が特に大きいので、それらの厚みを薄くすることが好ましい。つまり、最も好適には、ＤＣバイアス電極をいわゆる相互作用部Ｉの中心導体４ａ´と接地導体４ｂ´、４ｃ´をメッキするために使用する下地電極程度の厚みとすることにより、（下地電極がＤＣバイアス電極を成すことになるために）ＤＣバイアス電極を形成する必要がないので、短い工数で光変調器を作ることができる。

（各実施形態）
分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもなく、本発明の思想は３本以上の光導波路にも適用可能である。また光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてＡｌ_２Ｏ_３等のＳｉＯ_２以外の各種材料も適用できる。

また、本発明はＤＣバイアス部の電極構造に依存せず、ＣＰＷ構造や非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）構造、あるいは対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）構造など、各種の電極構造について成り立つことはいうまでもない。

１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ_２バッファ層（バッファ層）
３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ、３ｂ：マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
４：進行波電極
４ａ、４ａ´：中心導体
４ｂ、４ｂ´、４ｃ、４ｃ´：接地導体
５：Ｓｉ導電層
６：高周波電気信号給電線
７：高周波電気信号出力線
８ａ、８ｂ：相互作用部Ｉにおけるリッジ部
８ａ´、８ｂ´：ＤＣバイアス部ＩＩにおけるリッジ部
９ａ、９ｂ、９ｃ：相互作用部Ｉにおける凹部
９ａ´、９ｂ´、９ｃ´：ＤＣバイアス部ＩＩにおける凹部
１１ａ、１１ｂ、１１ａ´、１１ｂ´：ＤＣバイアス電極
Ｉ：高周波電気信号用相互作用部（相互作用部）
ＩＩ：ＤＣバイアス用相互作用部（ＤＣバイアス部）

Claims (4)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記光にバイアス電圧を印加するための中心導体及び接地導体からなるバイアス電極とを有し、
   前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのバイアス用相互作用部とが具備され、
   前記高周波電気信号用相互作用部と前記バイアス用相互作用部の両方に前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部を具備し、
   温度ドリフトを抑圧するよう、前記バイアス電極が３．８μｍ以下の所定厚さでなることを特徴とする光変調器。
2. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用の中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記光にバイアス電圧を印加するための中心導体及び接地導体からなるバイアス電極とを有し、
   前記光導波路には前記進行波電極に前記高周波電気信号を印加することにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのバイアス用相互作用部とが具備され、
   前記高周波電気信号用相互作用部と前記バイアス用相互作用部の両方に前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより形成した凹部により構成されるリッジ部を具備し、
   温度ドリフトを抑圧するよう、前記バイアス電極が０．５μｍ以下の所定厚さでなることを特徴とする光変調器。
3. 少なくとも、前記バイアス用相互作用部の前記光導波路の上方に形成された前記バイアス電極が、前記所定厚さでなることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
   
4. 前記バイアス電極の前記所定厚さが１００Å以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光変調器。

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