JP2003202530A

JP2003202530A - 光変調器

Info

Publication number: JP2003202530A
Application number: JP2002001876A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Honda; 秀紀本田; Yoshinori Yagi; 美紀八木; Yuji Yamane; 裕治山根
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2003-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｚカット基板を用いた光変調器であっても、単
一の信号電極を用いてチャープ発生を抑制できると共
に、光変調強度の消光比を向上することが可能な光変調
器を提供することである。【解決手段】電気光学効果を有する材料からなる基板
と、該基板上に形成され、入射光を分岐し合波する複数
の分岐導波路を配置した光導波路部と、該光導波路部内
を通過する光を変調するための電極とを有する光変調器
において、該光導波路部に係る基板の一部２６を分極反
転させて２種の基板領域を形成し、各分岐導波路が該基
板領域の境界面を横断する回数を同一とし、同種の基板
領域内であり該電極の作用部における各分岐導波路の総
和長が異なるように該基板領域を設定したことを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光変調器に関わ
り、特に、表面に垂直な方向に、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の方向を有する基
板を用いた光強度変調器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速、大容量光ファイバ通信シス
テムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、ニ
オブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料を基板
に用いた高速動作可能な光強度変調器が実用化されてい
る。このような光変調器は、図１(ａ)に示すように、電
気光学効果を有する基板１に、光波を導波するための光
導波路２と、前記光波にマイクロ波帯域の高速変調信号
を印加するための信号電極３及び接地電極４，４’から
構成される変調用電極とが形成されている。図１（ｂ）
は、図１（ａ）の一点鎖線Ａにおける基板等の断面図を
示す。なお、図１では省略されているが、基板と変調用
電極との間にＳｉＯ_２によるバッファ層を設けてもよ
い。

【０００３】次に、図１の光変調器の動作を説明する。
光導波路２には光学研磨された基板端面から光波が入射
される。光波は、光導波路２が形成する第１のＹ分岐２
−１により２つの光波に分波され、各光波は再度、第２
のＹ分岐２−２により合波され、光導波路２の他端から
出射される。そして、光波は、光導波路２、特に第１の
Ｙ分岐により分波され、第２のＹ分岐により合波される
までの間の光導波路２’（「分岐導波路」という）を通
過中に、各電極に印加された電気信号による基板の屈折
率変化のため、光波の位相が変化し、合波した後の光波
は、この位相変化に対応して光強度を有することとな
る。このため、電気信号の変化に対応した光強度変化を
有する光波を、光変調器により発生することが可能とな
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１に示した光変調器
には、表面に垂直な方向に、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の方向を有する基板
（「Ｚカット基板」という）が用いられており、図１の
ように信号電極を一つの電極で構成する場合には、図１
（ｂ）に示された２つの分岐導波路２’において、信号
電極３を中心として接地電極４，４’が対称に配置され
ていないため、信号電極３下の分岐導波路と接地電極
４’下の分岐導波路では、印加された電気信号であるマ
イクロ波が形成する電界が同じ又は対称とならず（電界
の強さや結晶軸の方向に対する電界の傾きが同じでない
状態）、結果として、光変調時に波長変動が生じ、合波
した光波にチャープ現象が発生することとなる。このチ
ャープ現象が発生すると、伝送媒体である光ファイバの
波長分散により、長距離伝送後の光波に波形崩れが発生
し、伝送距離を制限する原因ともなる。

【０００５】このため、図２に示すように、２つの信号
電極５，５’を設け、各信号電極に位相変化が逆になる
変調信号を印加することにより、図２（ｂ）に示した２
つの分岐導波路２’に、強度や結晶軸に対する傾きが等
しい電界を加えることが可能となる。これにより、チャ
ープの発生を抑制することができる。しかも、逆位相の
信号を各信号電極に印加するため、図１の場合と比較し
て、変調信号の電圧振幅値も約半分程度に押さえること
が可能となる。しかしながら、変調信号を逆位相状態で
２つの信号電極に正確に印加するには、信号発生のため
の反転ドライバーが必要な上、正信号と反転信号との配
線長も同じにする必要があり、変調信号が高周波となる
に従い、技術的な困難性が増加する原因となっている。

【０００６】他方、図３（電極は省略）に示すように、
分岐導波路の一部に分極反転部を形成し、図３の基板上
に図４に示すような電極を形成したものが知られてい
る。これは、図４の単一の信号電極３に変調信号を入力
し、図４（ｂ）に示す２つの分岐導波路２’，２０に、
信号電極３で同じ電界を印加するものであるが、一方の
分岐導波路２０は分極反転しているため、位相変化は互
いに逆の特性を示し、結果として、単一の信号電極で構
成されるにも拘らず、各々の光導波路に逆位相の変調信
号を印加するのと同様の効果が期待できるものである。
図４と同様に、図５には、接地電極４，４’の下に分岐
導波路２’，２０を形成したものを示している。なお、
図５（ｂ）は、図５（ａ）の一点鎖線Ｄにおける基板等
の断面図を示している。

【０００７】しかしながら、このように光導波路の一部
に分極反転部を設けることは、分極が反転する境界面
（「分極ドメイン壁」という）を光波が通過する際、該
境界面において光波の一部が反射・散乱されることとな
るため、分極反転部を形成された光導波路を通過する光
波は光強度が大きく減少し、結果として合波した際に、
２つの分波の光強度に差が生じているため（伝播損失の
不均等）、光強度変調器としての消光比が劣化する原因
ともなっている。

【０００８】本発明が解決しようとする課題は、上述し
た問題を解消し、Ｚカット基板を用いた光変調器であっ
ても、単一の信号電極を用いてチャープ発生を抑制でき
ると共に、光変調強度の消光比を向上することが可能な
光変調器を提供することである。また、光変調器への入
射光と出射光との強度比に対応する挿入損失の改善を図
ると共に、分極反転を利用した場合でも、分極ドメイン
壁が及ぼす応力歪を抑え、又は光導波路に与える応力歪
の影響を緩和することを可能とした光変調器を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1に係る発明は、電気光学効果を有する材料
からなる基板と、該基板上に形成され、入射光を分岐し
合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部と、該
光導波路部内を通過する光を変調するための電極とを有
する光変調器において、該光導波路部に係る基板の一部
を分極反転させて２種の基板領域を形成し、各分岐導波
路が該基板領域の境界面を横断する回数を同一とし、同
種の基板領域内であり該電極の作用部における各分岐導
波路の総和長が異なるように該基板領域を設定したこと
を特徴とする。

【００１０】請求項１に係る発明により、各分波した光
波は、分極反転によって形成された境界面（分極ドメイ
ン壁）を同じ回数通過するため、各光波の光強度は同程
度に減少することとなり、各光波を合流させて合波した
際の伝播損失の不均等が発生せず、消光比の改善を図る
ことが可能となる。なお、「同種の基板領域内であり該
電極の作用部における各分岐導波路の総和長が異なる」
ように構成することの意味は、分極反転することにより
光変調の効果が発生するのは、電極に印加される電気信
号により基板内の屈折率が変化する部分（「電極の作用
部」という）における、「分極反転した基板領域内の分
岐導波路の長さ」又は「分極反転していない基板領域内
の分岐導波路の長さ」の総和が各分岐導波路間で相互に
異なることが必要である。この構成により、各分岐導波
路に同じ電界を印加した場合でも、各分岐導波路を通過
する光は、相互に位相差を生じ、結果として光強度変調
動作が可能となる。

【００１１】また、請求項２に係る発明は、請求項１に
記載された光変調器において、上記各分岐導波路が該基
板領域の境界面を横断する回数は１回のみであることを
特徴とする。

【００１２】請求項２に係る発明により、請求項１に係
る発明のように、消光比を改善することができるだけで
なく、分極ドメイン壁を光が通過する回数は最低の１回
で済むため、光強度の減衰を最低限に押さえることが可
能となり、光変調器への入射光と出射光との強度比に対
応する挿入損失の改善を図ることが可能となる。

【００１３】また、請求項３に係る発明は、請求項２に
記載された光変調器において、該基板領域の表面形状
は、該光導波路部が形成する平面内の略中央を対称点と
して、点対称になるように２つの基板領域を形成するこ
とを特徴とする。

【００１４】請求項３に係る発明により、分極ドメイン
壁の境界線（光導波路が形成されている基板の表面上に
現れる分極ドメイン壁の境界を示す線）が、入射光を分
岐し合波する複数の分岐導波路を配置した光導波路部に
よって形成される平面内の略中央を対称点とするため
（例えば、２つのＹ分岐によって構成された分岐導波路
を配置した光導波路部の場合は、２つのＹ分岐の分岐点
間の中間点が対称点となる）、分極ドメイン壁による応
力歪の影響（屈折率歪など）も、光導波路部全体に対し
て点対称状態で発生することとなるため、分波した各光
間で該応力歪の影響を同程度なものとでき、結果的に、
消光比の劣化防止など応力歪の影響を緩和することが可
能となる

【００１５】また、請求項４に係る発明は、請求項１乃
至３のいずれかに記載された光変調器において、分極反
転された該基板領域は、該光導波路部内の分岐導波路の
一部を含み、該基板の表面近傍に分極反転が形成された
領域であることを特徴とする。

【００１６】請求項４に係る発明により、分極反転した
部分が、分岐導波路を含む基板表面の一部に形成されて
いるのみという、必要最低限の基板の領域（基板領域）
に抑えられているため、基板全体に対する分極反転部分
を少なくすることが可能となる。このため、分極ドメイ
ン壁が形成される領域も減少し、該壁による応力歪も局
所的かつ最低限に抑制することが可能となる。

【００１７】また、請求項５に係る発明は、請求項１乃
至３のいずれかに記載された光変調器において、分極反
転された該基板領域は、該光導波路部内の分岐導波路の
一部を含み、該基板の表面から裏面に至るまで分極反転
が形成された領域であることを特徴とする。

【００１８】請求項５に係る発明により、分極反転した
部分が基板の表面から裏面に至るまでの広い領域を利用
しているため、分極ドメイン壁と分岐導波路が近接する
領域を少なくすることが可能となる。しかも、このよう
な分極反転の形成方法としては、簡便な外部電界印加に
よる方法が採用できるため、製造コストの低下や生産効
率の向上を図ることも可能となる。

【００１９】また、請求項６に係る発明は、請求項１乃
至５のいずれかに記載された光変調器において、上記各
分岐導波路が該基板領域の境界面を横断する際の分岐導
波路と境界面とのなす角度は略垂直であることを特徴と
する。

【００２０】請求項６に係る発明により、分岐導波路の
延伸方向に対して分極ドメイン壁が略垂直に配置される
ため、分岐導波路の同一場所で分極反転している領域と
分極反転していない領域が混在する領域が無いため、分
極反転による効果を効率的に生じさせることが可能とな
る。しかも、分岐導波路内を進行する光は分極ドメイン
壁に略垂直に入射するため、分極ドメイン壁による反射
や散乱効果も低減し、挿入損失の改善も可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を好適例を用いて詳
細に説明する。光変調器を構成する基板としては、電気
光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム（Ｌ
ｉＮｂＯ_３；以下、ＬＮという）、タンタル酸リチウム
（ＬｉＴａＯ_３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ラ
ンタン）、及び石英系の材料から構成され、具体的に
は、これら単結晶材料のＺカット板から構成される。特
に、光導波路デバイスとして構成しやすく、かつ異方性
が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ_３結晶、ＬｉＴａ
Ｏ_３結晶、又はＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３からなる
固溶体結晶を用いることが好ましい。本実施例では、ニ
オブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた例を中心に説明する。

【００２２】光変調器を製造する方法としては、ＬＮ基
板上にＴｉを熱拡散させて光導波路を形成し、次いで基
板の一部又は全体に渡りバッファ層を設けずに、ＬＮ基
板上に電極を直接形成する方法や、光導波路中の光の伝
搬損失を低減させるために、ＬＮ基板上に誘電体ＳｉＯ
_２等のバッファ層を設け、さらにその上に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数十μ
ｍの高さの信号電極及び接地電極を構成して、間接的に
当該電極を形成する方法がある。また、バッファ層上に
ＳｉＮやＳｉ等の膜体を設けた多層構造とすることも可
能である。一般に、一枚のＬＮウェハに複数の光変調器
を作り込み、最後に個々の光変調器のチップに切り離す
ことにより、光変調器が製造される。

【００２３】本発明の特徴は、電気光学効果を有する基
板上のどの位置に分極反転部を形成するかにある。第１
の例は、図６(ａ)の示すように、分岐した光導波路の各
々に沿って分極反転部２１を形成するものである。図６
（ｂ）は、図６(ａ)の一点鎖線Ｅにおける基板等の断面
形状を示したものであり、基板表面（図の上側）近傍に
形成された分極反転部２１内に、分岐導波路２０を形成
している。この構成により、基板全体に対する分極反転
部の大きさを必要最小限に設定され、分極ドメイン壁に
よる応力歪の影響を局所的かつ最低限に抑制することが
可能となる。なお、図６の基板表面には、先に示した図
４又は５のような電極が形成されることは言うまでもな
い。以下の実施例も同様である。

【００２４】図６のような分極反転部の形成方法として
は、ＬＮ基板を１０００℃以上キュリー温度近くでＴｉ
を拡散する方法や、キュリー温度付近で結晶内のＬｉ_２
Ｏを外拡散する方法など、不純物の拡散や外拡散など基
板内部に発生する電界を利用する方法などがある。

【００２５】第２の例は、図７のように、２つのＹ分岐
とそれを繋ぐ光導波路で形成された光導波路部を横断す
るように分極反転部２３を設けたものである。この場合
には、分波した各光が分極ドメイン壁を通過する回数
は、共に２回であるため、分波した各光の光強度の減衰
も同程度となり、合波した際の光の強度変調の消光比を
改善することが可能となる。

【００２６】第３の例は、図８のように、１つのＹ分岐
を含むように分極反転部２４を設けたものである。これ
により、分波した各光が分極ドメイン壁を通過する回数
は、最低の１回となり、光変調器への入射光を余り減少
させずに出射させることが可能となるため、挿入損失の
改善を図ることができる。

【００２７】第４の例は、図９のように、光導波路部の
略中央２５（２つのＹ分岐の分岐点間の中間点）を対称
点として、分極反転部２６が形成する分極ドメイン壁の
境界線２７を点対称に形成したものである。これによ
り、分極ドメイン壁に発生する応力歪が周りの光導波路
部、特に分岐した各光導波路に与える影響は、対称点２
５を中心として点対称に存在することとなり、このた
め、分波した各光間での該応力歪の影響も同程度なもの
となり、結果的に、消光比の劣化防止など応力歪の影響
を緩和することが可能となる。しかも、分極ドメイン壁
は、分岐導波路と交叉する点以外は、光導波路より可能
な限り遠くに配置することにより、より一層、応力歪の
影響を緩和することが可能となる。さらに、分極ドメイ
ン壁と光導波路が交叉する角度は、略垂直になるように
構成することにより、分岐導波路の同一場所で分極反転
している領域と分極反転していない領域が混在する領域
（ここで、「混在する」とは、例えば、分岐導波路に対
して斜めに分極ドメイン壁が形成された場合、分岐導波
路の延伸方向に垂直な断面を取ると、分岐導波路の同一
断面上で分極反転している部分と分極反転していない部
分が共に存在することを意味する）が無いため、分極反
転による効果を効率的に生じさせることが可能となる。
しかも、分岐導波路内を進行する光は分極ドメイン壁に
略垂直に入射するため、分極ドメイン壁による反射や散
乱効果も低減し、より伝播損失の少ない光変調器が実現
できる。

【００２８】図１０は、単一の信号電極３の形状の応用
例を示す。図４，５のような信号電極と比較して、分岐
導波路に沿って幅の狭い信号電極が配置されているた
め、電界の集中が可能となり、効率よく光導波路に対し
電界を印加することが可能となる。このような、電極の
配置は、第１から第４の例のいずれに対しても適用でき
ることは言うまでもない。

【００２９】図７から９のような幅広の分極反転部を形
成する方法としては、図１１に示すように、外部電界印
加による方法が簡便である。これは、ＬＮ基板１表面
に、フォトリソグラフィーなどにより分極反転部に対応
した電極３２を形成し、他方ＬＮ基板裏面には一面に電
極３１を蒸着又は塗布する。常温状態で、２０ｋＶ／ｍ
ｍ程度のパルス電圧３３を、両者の電極に印加する。印
加時間は、基板表面側から見た分極反転部の面積にもよ
るが、１〜３０ｃｍ^２で、約１００μｓ〜３００ｍｓ程
度である。ＬＮ基板の裏面電極３１に代えて、液体電極
を利用した治具等で代用してもよい。分極反転部を形成
した後は、分極反転部の形成に利用した電極３１，３２
を除去し、通常通り、光導波路や信号電極及び接地電極
等の作り込み行うことが可能である。

【００３０】上記実施例では、２つのＹ分岐による２本
の分岐導波路を有する光変調器について説明したが、本
発明の範囲は、これらの実施例に限らず、２本以上の分
岐導波路を有する光変調器に上述した技術的事項を適用
したものも含む。また、同一基板内に複数の光変調器を
集積し、該光変調器の少なくとも一部に上述した技術的
事項を適用した集積型光変調器についても、本発明の範
囲に包含されるものである。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ｚカット基板を用いた光変調器であっても、単一の信号
電極を用いてチャープ発生を抑制できると共に、光変調
強度の消光比を向上させるが可能となる。しかも、光変
調器の挿入損失の改善が図れ、分極反転を利用した際に
発生する分極ドメイン壁の及ぼす応力歪を抑え、又は光
導波路に与える応力歪の影響を緩和することも可能とな
るという、優れた効果を奏する光変調器を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光変調器の平面図（ａ）と断面図
（ｂ）。

【図２】従来の２つの信号電極を有する光変調器の平
面図（ａ）と断面図（ｂ）。

【図３】分極反転を形成した従来の光変調器の平面
図。

【図４】分極反転を形成し、分岐した光導波路を信号
電極下に配置した従来の光変調器の平面図（ａ）と断面
図（ｂ）。

【図５】分極反転を形成し、分岐した光導波路を接地
電極下に配置した従来の光変調器の平面図（ａ）と断面
図（ｂ）。

【図６】第１の例における分極反転部を示す平面図。

【図７】第２の例における分極反転部を示す平面図。

【図８】第３の例における分極反転部を示す平面図。

【図９】第４の例における分極反転部を示す平面図。

【図１０】分岐した各光導波路に沿って単一の信号電
極をＹ字状に配置した光変調器の平面図（ａ）と断面図
（ｂ）。

【図１１】外部電界印加による分極反転部の形成方法を
示す図。

【符号の説明】

１基板２光導波路２’ 分岐導波路３信号電極４接地電極２０分極反転部に形成された分岐導波路２１，２３，２４，２６分極反転部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山根裕治東京都千代田区六番町６番地28 住友大阪セメント株式会社内Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA12 CA04 DA03 EA05 EB04 HA13 JA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項1】電気光学効果を有する材料からなる基板
と、該基板上に形成され、入射光を分岐し合波する複数
の分岐導波路を配置した光導波路部と、該光導波路部内
を通過する光を変調するための電極とを有する光変調器
において、該光導波路部に係る基板の一部を分極反転させて２種の
基板領域を形成し、各分岐導波路が該基板領域の境界面
を横断する回数を同一とし、同種の基板領域内であり該
電極の作用部における各分岐導波路の総和長が異なるよ
うに該基板領域を設定したことを特徴とする光変調器。
【請求項２】請求項１に記載された光変調器において、
上記各分岐導波路が該基板領域の境界面を横断する回数
は１回のみであることを特徴とする光変調器。
【請求項３】請求項２に記載された光変調器において、
該基板領域の表面形状は、該光導波路部が形成する平面
内の略中央を対称点として、点対称になるように２つの
基板領域を形成することを特徴とする光変調器。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載された光
変調器において、分極反転された該基板領域は、該光導
波路部内の分岐導波路の一部を含み、該基板の表面近傍
に分極反転が形成された領域であることを特徴とする光
変調器。
【請求項５】請求項１乃至３のいずれかに記載された光
変調器において、分極反転された該基板領域は、該光導
波路部内の分岐導波路の一部を含み、該基板の表面から
裏面に至るまで分極反転が形成された領域であることを
特徴とする光変調器。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載された光
変調器において、上記各分岐導波路が該基板領域の境界
面を横断する際の分岐導波路と境界面とのなす角度は略
垂直であることを特徴とする光変調器。