JP5314060B2 - 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、ＲＦ駆動電圧とともにＤＣバイアス電圧が小さい光変調器に関する。

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６にその概略斜視図を示す。ここで、図７は図６の概略上面図であり、図８は図６と図７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の上面に進行波電極４が形成されている。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。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導電層を用いるが、ここでは図の簡単化のために省略する。中心導体４ａの幅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６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７や図８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７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。

このリッジ構造を採ることにより、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８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の厚みである数十μｍに比較すると、その値は小さい。

次に、この第１の従来技術である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９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９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１０は第２の従来技術の上面図であって、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バイアス用相互作用部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１０のＢ−Ｂ´線とＣ−Ｃ´線における断面図を、各々図１１（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バイアス用相互作用部の凹部であり、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１０と図１１に示した第２の従来技術の問題点について考察する。これまで、高周波電気信号用相互作用部Ｉのリッジ部８ａ、８ｂとＤＣバイアス用相互作用部ＩＩのリッジ部８ａ´、８ｂ´はドライエッチングにより同時に形成されて来た。そのため、高周波電気信号用相互作用部Ｉのリッジ部８ａ、８ｂの高さＨ_ｉとＤＣバイアス用相互作用部ＩＩのリッジ部８ａ´、８ｂ´の高さＨ_Ｂ´は同じ高さ、

Ｈ_ｉ ＝ Ｈ_Ｂ´ （１）

である。つまり、一般的には、高周波電気信号用相互作用部のリッジ部の高さＨ_ｉとＤＣバイアス用相互作用部のリッジ部の高さＨ_Ｂ´とを同じ高さに設定することが、高周波電気信号の電圧（つまり、ＲＦ駆動電圧、あるいはＲＦＶπ）とＤＣバイアス電圧（あるいはＤＣＶπ）の面から最も好適であると考えられていた。

ところが、本出願人は詳細なシミュレーションの結果、一般に高周波電気信号用相互作用部Ｉに要求される最適リッジ部の高さＨ_{ｉ，ｏｐｔ}とＤＣバイアス用相互作用部ＩＩに要求される最適リッジ部の高さＨ_{Ｂ，ｏｐｔ}とは異なっていることを見出した。従って、高周波電気信号用相互作用部Ｉのリッジ部８ａ、８ｂの高さＨ_ｉとＤＣバイアス用相互作用部ＩＩのリッジ部８ａ´、８ｂ´の高さＨ_Ｂとを同じ高さに設定する第２の従来技術では、ＲＦＶπとＤＣＶπとを同時に低減することはできないことがわかった。

特開平４−２８８５１８号公報 特開２００８−１２２７８６号公報

以上のように、従来技術では高周波電気信号用相互作用部のリッジ部の高さとＤＣバイアス用相互作用部のリッジ部の高さとを同じに設定していたので、高周波電気信号の電圧とＤＣバイアス電圧とを同時に充分に低減することはできなかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高周波電気信号の電圧とＤＣバイアス電圧とを同時に充分に低減した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少なくとも２本の光導波路と、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が伝搬する高周波電気信号用の中心電極及び接地電極を有する進行波電極と、前記光にバイアス電圧を印加す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が印加され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を具備し、前記高周波電気信号用相互作用部と前記ＤＣバイアス用相互作用部の両方において前記光導波路に沿って前記基板の一部を掘り下げて形成された凹部によりリッジ部をなす光変調器において、前記高周波電気信号用相互作用部の前記リッジの高さが、前記高周波電気信号の電圧値が略最小となるような所定高さで形成され、前記ＤＣバイアス用相互作用部の前記リッジの高さが、前記バイアス電圧値が略最小となるような所定高さで形成され、前記ＤＣバイアス用相互作用部における前記リッジ部の高さが、前記高周波電気信号用相互作用部における前記リッジ部の高さよりも低い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、請求項１に記載の光変調器において、前記ＤＣバイアス用相互作用部における前記２本の光導波路の間隔が、前記高周波電気信号用相互作用部における前記２本の光導波路の間隔よりも狭く形成されてい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、前記基板がｚ−カットＬＮ基板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、高周波電気信号用相互作用部のリッジ部の高さとＤＣバイアス用相互作用部のリッジ部の高さとを異ならしめることにより、高周波電気信号の電圧（ＲＦＶπ）を充分低くした場合においても、同時にＤＣバイアス電圧（ＤＣＶπ）を充分に低減することが可能とな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Ｂ−Ｂ´線における断面図、（ｂ）図１のＤ−Ｄ´線における断面図 本発明の原理を説明する図 本発明の第２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４のＢ−Ｂ´における断面図、（ｂ）図４のＥ−Ｅ´における断面図 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７のＡ−Ａ´線における断面図 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１０のＢ−Ｂ´線における断面図、（ｂ）図１０のＣ−Ｃ´線における断面図

以下、本発明の実施形態について説明するが、図６から図１１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Ｂ−Ｂ´線とＤ−Ｄ´線における断面図を各々図２（ａ）と（ｂ）に示す。第２の従来技術と同様に、高周波電気信号用相互作用部ＩとＤＣバイアス用相互作用部ＩＩＩとを備えるバイアス分離型の光変調器である。

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、リッジ部８ａ、８ｂの高さＨ_ｉは従来技術と同じく高く設定されている。

一方、図２（ｂ）からわかるように、ＤＣバイアス用相互作用部ＩＩＩにおけるリッジ部８ａ´、８ｂ´の高さＨ_Ｂは高周波電気信号用相互作用部Ｉのリッジ部８ａ、８ｂの高さＨ_ｉよりも低く設定されている。つまり、

Ｈ_ｉ ＞ Ｈ_Ｂ （２）

としている。

次に、本発明の原理について説明する。図３には、図２におけるリッジ部８ａ´、８ｂ´の高さＨ_Ｂを変数とした際のＤＣＶπを左縦軸に、またリッジ部８ａ、８ｂの高さＨ_ｉを変数とした際のＲＦＶπを右縦軸にとったグラフを示す。図に示すように、ＤＣＶπが最小となるリッジ部８ａ´、８ｂ´の高さＨ_{Ｂ，ｏｐｔ}とＲＦＶπが最小となるリッジ部８ａ、８ｂの高さＨ_{ｉ，ｏｐｔ}とは値が異なり、（２）式が成り立っていることがわかる。

（第２の実施形態）
図４は本発明における第２の実施形態の概略上面図である。第１の実施形態とは、ＤＣバイアス用相互作用部の構成が異なっている。図４のＢ−Ｂ´線とＥ−Ｅ´線における断面図を各々図５（ａ）と（ｂ）に示す。

図５に示すように、本実施形態ではＥ−Ｅ´線における断面においてＤＣバイアス用相互作用部ＩＶにおける光導波路間３ａ、３ｂのギャップが、高周波電気信号相互作用部Ｉにおける光導波路間３ａ、３ｂのギャップよりも狭くなっている。このように光導波路間３ａ、３ｂのギャップを狭く構成すると、ＤＣＶπが最小となるリッジ部８ａ´、８ｂ´の高さＨ_{Ｂ，ｏｐｔ}の値はより小さくなる。光導波路間３ａ、３ｂのギャップが狭くなるとＤＣＶπが低くなるとともに、Ｈ_{Ｂ，ｏｐｔ}の値が小さいので製作にかかる時間も短くなり、さらにリッジ部８ａ´や８ｂ´の側壁１２に起因する光の挿入損失を低減できるという利点が生じる。

（各実施形態）
以上の説明では、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い。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バイアス用相互作用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。

また、図１〜５においては、高周波電気信号用相互作用部におけるリッジ部のギャップとＤＣバイアス用相互作用部におけるリッジ部のギャップとを等しく図示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。

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
６：高周波電気信号給電線
７：高周波電気信号出力線
８ａ、８ａ´、８ｂ、８ｂ´：リッジ部
９ａ、９ａ´、９ｂ、９ｂ´、９ｃ、９ｃ´：凹部
１１ａ、１１ｂ：ＤＣバイアス電極
１２：リッジ部の側壁
Ｉ：高周波電気信号用相互作用部
ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ：ＤＣバイアス用相互作用部

Claims (3)

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少なくとも２本の光導波路と、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が伝搬する高周波電気信号用の中心電極及び接地電極を有する進行波電極と、前記光にバイアス電圧を印加す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が印加され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を具備し、
   前記高周波電気信号用相互作用部と前記ＤＣバイアス用相互作用部の両方において前記光導波路に沿って前記基板の一部を掘り下げて形成された凹部によりリッジ部をなす光変調器において、
   前記高周波電気信号用相互作用部の前記リッジの高さが、前記高周波電気信号の電圧値が略最小となるような所定高さで形成され、
   前記ＤＣバイアス用相互作用部の前記リッジの高さが、前記バイアス電圧値が略最小となるような所定高さで形成され、
   前記ＤＣバイアス用相互作用部における前記リッジ部の高さが、前記高周波電気信号用相互作用部における前記リッジ部の高さよりも低いことを特徴とする光変調器。
2. 前記ＤＣバイアス用相互作用部における前記２本の光導波路の間隔が、前記高周波電気信号用相互作用部における前記２本の光導波路の間隔よりも狭く形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記基板がｚ−カットＬＮ基板であ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。

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