JP5386841B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、基板の表面に高屈折率材料を熱拡散し、光導波路を形成した光変調器に関する。

従来、光通信分野や光計測分野において、光波を制御する手段として、光変調器など、電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光導波路素子が多用されている。
光導波路素子の処理速度を高速化し、かつ光導波路素子の駆動を低電圧駆動化を図るため、基板の厚さを薄くした光導波路素子の開発が進んでいる。

しかしながら、基板の厚みを薄くすると、基板に形成された光導波路を伝搬する光波に対して、基板の上下方向の光波の閉じ込め作用が強くなり、伝搬する光波の形状が基板の横方向に扁平な形状となる。特に、１２μｍ以下の厚みになると、この現象は一層顕著なものとなる。

特許文献１においては、基板の薄板化に伴い、変調光の消光比が劣化するのを抑制するため、電気光学結晶基板の厚みが３０μｍ以下であり、少なくとも光導波路の出口部の水平方向（基板表面に平行な方向）が単一モード化するように、光導波路形成時に生ずる凸部の高さＨ（Å）と凸部の幅Ｗ（μｍ）との積（Ｈ・Ｗ）が７１５０Å・μｍ以下とすることが開示されている。
国際公開ＷＯ２００５／０１９９１３号

他方、光導波路素子は、光波の入出力のために光導波路の端部に光ファイバを結合することが行われている。基板が薄板化することにより、光ファイバとの接合部では、光導波路素子側の光波の形状（扁平状態）と光ファイバ側のコアの形状との相違により、光導波路素子と光ファイバとの接合部で、光波の反射や漏れ光が発生し、光挿入損失の増加や、基板内の迷光増加による光導波路素子の特性劣化など、種々の弊害の原因となっている。
しかも、特許文献１のようにＨ・Ｗを７１５０Å・μｍ以下とした場合には、光波の形状がより扁平状態となり、光挿入損失がより一層大きくなる。

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、電気光学効果を有する基板を薄板化した場合でも、光挿入損失を改善し、基板内の迷光増加を抑制可能な光変調器を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電気光学効果を有する材料で構成され、厚さが１２μｍ以下の基板と、該基板の表面から高屈折率材料を基板内にドープして形成される光導波路とを有する光変調器において、該光導波路の入力側端部又は出力側端部のいずれかには、該基板表面から、該光導波路の、ドープして形成された凸部の頂点までの高さが基板面から１３００Å以上となる光閉じ込め制御部が形成されることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調器において、該光閉じ込め制御部の長さは、該光導波路の端部から０．８ｍｍ以上であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光変調器において、該光閉じ込め制御部での光導波路の幅は、該光変調器に接続される光ファイバのコア径の１／２以上であることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する材料で構成され、厚さが１２μｍ以下の基板と、該基板の表面から高屈折率材料を基板内にドープして形成される光導波路とを有する光変調器において、該光導波路の入力側端部又は出力側端部のいずれかには、該基板表面から、該光導波路の、ドープして形成された凸部の頂点までの高さが基板面から１３００Å以上となる光閉じ込め制御部が形成されるため、光変調器内の光導波路の入力側端部又は出力側端部において、光波の扁平状態が緩和され、光ファイバとの接続状態を改善でき、光挿入損失や迷光の発生を抑制することが可能となる。

請求項２に係る発明により、光閉じ込め制御部の長さは、光導波路の端部から０．８ｍｍ以上であるため、光変調器内の光導波路を伝搬する光波を、該閉じ込め制御部により光波の扁平状態を十分に緩和できるため、光ファイバとの接続に支障が生じない程度に改善することが可能となる。

請求項３に係る発明により、光閉じ込め制御部での光導波路の幅は、光変調器に接続される光ファイバのコア径の１／２以上であるため、光ファイバとの接続による光挿入損失などを一層抑制することが可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の光変調器を示す図である。また、図２は、図１の光変調器内の入力側端部ａ又は出力側端部ｂにおける光導波路を含む断面図を示している。
本発明の光変調器は、電気光学効果を有する材料で構成され、厚さが１２μｍ以下の基板１と、該基板の表面から高屈折率材料を基板内にドープして形成される光導波路２とを有する光変調器において、該光導波路の入力側端部ａ又は出力側端部ｂのいずれかには、該光導波路の高さＨが基板面から１３００Å以上となる光閉じ込め制御部が形成されることを特徴とする。

光変調器の両端部には、光ファイバ３，４が光学接着剤等で接合されている。これにより、光波は入力用光ファイバ３を矢印ｃの方向に伝搬し、光変調器内に形成された光導波路２に入射する。光導波路２内を伝搬した光波は、出力用光ファイバ４に入射し、矢印ｄで示した方向に伝搬しながら、光変調器の外部に導出される。

電気光学効果を有する基板１としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。

光導波路の形成方法としては、Ｔｉなどの高屈折率材料を熱拡散法やプロトン交換法などで、基板表面から基板内にドープすることにより形成することができる。
なお、本発明における高屈折率材料とは、基板を構成する材料より高屈折率な材料を意味するだけでなく、基板内に特定材料をドープすることで、該ドープした領域の屈折率が他の領域よりも高屈折率となるものである場合には、当該特定材料も高屈折率材料に含むものである。

図１又は図２には明示されていないが、光導波路２を伝搬する光波を変調するため、光導波路２の上側や近傍には、必要に応じて変調電極が配置される。
変調電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより、基板１の表面又は裏面などに形成することが可能である。また、変調電極は、変調信号（ＡＣ信号又はＤＣ信号）を伝搬する信号電極と該信号電極の周囲に配置される接地電極から構成される。

また、特に図示してないが、基板１と上述した変調電極との間にはＳｉＯ_２などのバッファ層を形成することもできる。これによって、光導波路を伝搬する光波が、変調電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止することができる。また、変調電極から印加される変調信号と、光導波路内を導波する光波との速度整合にも寄与する。

図２に示すように、基板の厚みｔが１２μｍ以下となると、光導波路を伝搬する光波の形状が扁平状態となり、光変調器に接続された光ファイバとの接合部において光挿入損失を増加させたり、迷光を生じるなどの不具合が発生する。本発明の光変調器は、このような光波の扁平状態を解消するため、光導波路の高さＨが基板面から１３００Å以上となる光閉じ込め制御部を設けている。Ｈが１３００Åより低い場合には、光ファイバとの接合部における光挿入損失が増加し易く、また迷光も発生しやすくなる。

また、光閉じ込め制御部は、図１に示すように、光変調器内の光導波路２の入力側端部ａ又は出力側端部ｂに形成され、該光閉じ込め制御部の長さｌは、光導波路の端部から０．８ｍｍ以上となるように設定されている。光波の形状を調整する部分の長さｌを０．８ｍｍ以上確保することにより、光閉じ込め制御部以外の光導波路内において光波の形状が扁平状態であっても、光ファイバと光導波路との接合部までの間に、光波の扁平状態を十分に調整することが可能となる。

さらに、本発明の光変調器では、光閉じ込め制御部での光導波路の幅Ｗは、光変調器に接続される光ファイバのコア径の１／２以上としている。この構成により、光ファイバとの接続による光挿入損失などを一層抑制することが可能となる。

本発明において、光閉じ込め制御部の光導波路の形状としては、図２に示すように、光導波路の高さＨは基板表面の位置から光導波路の凸部の頂点までの距離であり、光導波路の幅Ｗは、光導波路の凸部が基板表面の位置から突出している部分の幅を意図している。なお、Ｔｉなどを熱拡散して光導波路を形成した場合には、光導波路の凸部の周囲に基板表面の位置より窪む領域が形成されることから、上述のようにＨ又はＷを設定している。

次に、本発明の光変調器の効果を確認するため、光変調器の各種特性を測定した結果を示す。
ニオブ酸リチウム（ＬＮ）の基板を研磨し、１２μｍの厚みの薄板を形成した。
該薄板を利用し、入出力部の光導波路の凸部の高さＨのみが異なる光導波路を有する光変調器を選び、波長１．５μｍのレーザ光を挿入し、光挿入損失を測定した。光導波路の幅Ｗはいずれの場合も５．５μｍとした。

表１の測定結果より、光導波路の高さＨが０．１３μｍ（１３００Å）以上の場合には、光挿入損失が１ｄｂ以下となり、光損失が改善されていることが理解される。

次に、上記薄板と同様の薄板であって、光導波路の幅Ｗを５．５μｍで、凸部の高さＨが０．１３μｍの光閉じ込め制御部の長さｌが異なる光変調器を選択し、光挿入損失について測定を行った。その結果入出力部のどちらも光閉じ込め制御部の長さが０．８ｍｍ未満の場合、光挿入損失が１．０ｄｂよりも大きくなることが判明した。これは光閉じ込め制御部の長さｌが短いとモードの変形を修正しきれないためと思われる。

光閉じ込め制御部を構成する凸部を有する光導波路の長さｌを０．８ｍｍ以上とすることにより、光挿入損失を十分に改善することが可能であることが容易に理解される。

次に、光閉じ込め制御部における光導波路の幅Ｗの影響を調べるため、上記薄板に光導波路の高さＨが０．１３μｍであり、幅Ｗが４〜１０μｍの範囲となる光変調器を形成した。

上述の光変調器に、光ファイバ（１．５５μｍ帯シングルモードファイバ，コア径１０μｍ）を接続し、波長１．５μｍのレーザ光を挿入し、接続部における光挿入損失を計測した。計測結果を表２に示す。

表２の結果より、光ファイバのコア径１０μｍを考慮すると、光閉じ込め制御部における光導波路の幅Ｗは、コア径の１／２以上ある表２の幅Ｗが５．５以上の場合、光挿入損失が大きく改善していることが容易に理解される。

以上の測定結果より、光導波路の凸部の高さＨを１３００Å以上、光導波路の長さｌを０．８ｍｍ以上、そして、光導波路の幅Ｗを光ファイバのコア径の１／２以上とする光閉じ込め制御部を設けることにより、光ファイバの接続による光挿入損失が格段に抑制することが可能となる。

本発明によれば、電気光学効果を有する基板を薄板化した場合でも、光挿入損失を改善し、基板内の迷光増加を抑制可能な光変調器を提供することが可能となる。

本発明の光変調器の平面概略図である。 本発明の光変調器の光閉じ込め制御部における光導波路の断面図である。

１ 基板
２ 光導波路
３，４ 光ファイバ

Claims (3)

1. 電気光学効果を有する材料で構成され、厚さが１２μｍ以下の基板と、
   該基板の表面から高屈折率材料を基板内にドープして形成される光導波路とを有する光変調器において、
   該光導波路の入力側端部又は出力側端部のいずれかには、該基板表面から、該光導波路の、ドープして形成された凸部の頂点までの高さが基板面から１３００Å以上となる光閉じ込め制御部が形成されることを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載の光変調器において、該光閉じ込め制御部の長さは、該光導波路の端部から０．８ｍｍ以上であることを特徴とする光変調器。
3. 請求項１又は２に記載の光変調器において、該光閉じ込め制御部での光導波路の幅は、該光変調器に接続される光ファイバのコア径の１／２以上であることを特徴とする光変調器。

Images