JP2009236996A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調器のマイクロ波の速度整合をはかり、光変調器の金属電極による伝搬光の吸収による光損失を防止するとともに、駆動電圧を低減する。
【解決手段】光変調器は、電気光学単結晶のＸ板またはオフセットＸ板からなり、厚さ３０μｍ以下の基板１、基板１の一方の主面１ａ上に設けられた信号電極２および接地電極３Ａ、３Ｂ、信号電極と接地電極とのギャップに形成されており、基板の主面１ａから凹んだギャップ内溝８およびギャップ内溝の底部に設けられたチャンネル型光導波路からなる変調部６Ａ、６Ｂを備えている。信号電極と接地電極に変調電圧を印加することによって、変調部を伝搬する光を変調する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光変調器に関するものである。

マルチメディアの発展に伴い、通信のブロードバンド化の需要が高まり、１0Gｂ/sを超える光伝送システムが実用化され、さらに高速化が期待されている。１0Gｂ/s以上の電気信号（マイクロ波信号）を光に変調するデバイスとしてＬＮ光変調器が使用されている。

特許文献１においては、平板状の保持基体と厚さ１０μｍ以下の薄い光導波路基板とを接着した光導波路デバイスを開示した。
WO 03/ 042749

光変調器の駆動電圧を低減するためには、信号電極と接地電極との電極間ギャップを狭くすることが必要である。しかし、電極ギャップを狭くすると、金属製の電極と光導波路とが接近し、金属電極による光の吸収が顕著となり、光の損失が悪化するという問題がある。

非特許文献１に記載のマッハツェンダー型光変調器によれば、ニオブ酸リチウムのＸ板の表面に信号電極と接地電極とを設け、電極ギャップに溝を堀り、溝の底面に光導波路を形成している。これによって、マイクロ波の実効屈折率を下げ、マイクロ波の速度整合を図っている。この方法によれば、電極と光導波路とを溝の分だけ離すことができるので、金属電極による光の吸収防止にも有効である。
１９９１年電子情報通信学会秋季大会 Ｃ−１６４ 「溝型導波路を用いたＸ板Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ３変調器」 中沢忠雄 清野 實

非特許文献１記載の光変調器では、溝を形成して溝の底面に光導波路を形成することによって、前述のように広帯域化には成功している。しかし、非特許文献１の図４に示すように、光導波路のところに溝を形成すると、溝が深くなるのにつれて半波長電圧が大きくなることが記載されている。例えば、溝がない場合に半波長電圧が６Ｖ・ｃｍである場合に、深さ４μｍの溝を設けると、半波長電圧が１０Ｖ・ｃｍ以上に著しく上昇している。現在、光変調器の駆動電圧の低減は重要な要求であるので、非特許文献１記載の光変調器では実用に向かないと考えられる。

本発明の課題は、光変調器のマイクロ波の速度整合をはかり、光変調器の金属電極による伝搬光の吸収による光損失を防止するとともに、駆動電圧を低減することである。

本発明は、電気光学単結晶において電気光学定数が最も大きい軸を水平方向に配した基板からなり、厚さ３０μｍ以下の光導波路基板、
光導波路基板の一方の主面上に設けられた信号電極および接地電極、
信号電極と接地電極とのギャップに形成されており、基板の主面から凹んだギャップ内溝、および
このギャップ内溝の底部に設けられたチャンネル型光導波路からなる変調部
を備えており、信号電極と接地電極に変調電圧を印加することによって、変調部を伝搬する光を変調することを特徴とする。

本発明によれば、厚さ３０μｍ以下の基板に更にギャップ内溝を形成し、その底面に拡散光導波路を形成する。これによって、マイクロ波の速度整合をはかることができる。そして、光導波路をギャップ内溝の底部に形成することから、金属電極による伝搬光の吸収が少なく、これによる光損失を防止できる。

その上で、本発明では、光変調器の駆動に必要な半波長電圧を、ギャップ内溝を形成しない場合に比べて低減することに成功した。非特許文献１記載の光変調器では、実際にニオブ酸リチウムのＸ板にギャップ内溝を形成しているが、溝を深くすれば深くするほど、駆動に必要な半波長電圧は著しく上昇している。これは、非特許文献１では、Ｘ板が厚いために、本発明の対象としているＸ板の薄板とは挙動が正反対になっていることを意味する。本発明において、このように非特許文献１とは正反対の挙動が得られた理由は明らかではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る光変調器の変調領域を示す横断面図である。図２は、図１の光変調器と光ファイバーとの接続部分を模式的に示す平面図である。図３は、図２の光変調器と光ファイバーとの接続部分を模式的に示す斜視図である。図４は、本発明を適用可能な進行波形光変調器を模式的に示す平面図である。

図１に示すように、光導波路基板１の底面１ｃが接着層１４を介して支持基板１５に対して接着されている。支持基板１の厚さＴｓｕｂ（図５参照）は３０μｍ以下である。基板１の上面１ａには、所定の信号電極２および接地電極３Ａ、３Ｂが形成されている。信号電極２と接地電極３Ａとのギャップ４、信号電極２と接地電極３Ｂとのギャップ４には、それぞれ、ギャップ内溝８Ａ、８Ｂが形成されている。

図２、図３に示すように、信号電極２と接地電極３Ａ（３Ｂ）とのギャップ４にギャップ内溝８が形成されており、この溝８の底部に光導波路が形成されている。一方、光ファイバーとの接続部７においては、溝は存在せず、基板２の主面２ａに光導波路５の接続部７が形成されている。また、基板２の端面と対向するように光ファイバー保持部材９が設置されており、その円柱形状の保持具１０の中央に光ファイバー１１が保持されている。光ファイバー１１の端面１１ａを光導波路５の接続部７の端面５ａに対して突き合わせ、光を入射または出射させる。

また、本例では、光導波路５の変調部６Ａ（６Ｂ）と接続部７との間に連結部１５を設けており、連結部１５は連結部用溝１９の底部に形成している。ここで、連結部用溝１９の幅は、ギャップ内溝８の幅よりも小さく、接続部７へと向かって徐々に小さくなっている。また、連結部用溝１９の深さは、ギャップ内溝８の深さよりも小さく，接続部７へと向かって徐々に浅くなっている。

本例では、各溝８の底部にプロトン交換または金属イオン拡散領域が形成されており、これによって各チャンネル型光導波路６Ａ、６Ｂが形成されている。各光導波路６Ａ、６Ｂは、それぞれ、伝搬光の変調部として機能する。

本例によれば、厚さ３０μｍ以下の基板１に更にギャップ内溝８を形成し、ギャップ内溝８の底面に拡散光導波路の変調部６Ａ、６Ｂを形成する。光導波路をギャップ内溝の底部に形成することから、図１に示すように、金属電極２、３Ａ、３Ｂから変調部６Ａ、６Ｂが離れており、従って金属電極による伝搬光の吸収が少なく、これによる光損失を防止できる。

その上で、本例では、光変調器の駆動に必要な半波長電圧を、ギャップ内溝８を形成しない場合に比べて低減できる。このように非特許文献１とは正反対の挙動が得られた理由は明らかではない。図１に示すように、電気力線Ａが変調部６Ａ、６Ｂへと向かって広がる様子を考慮すると、まず電極から縦方向（深さ方向）へと向かって変調部が離れることから、変調部を通過する電気力線は少なくなり、電界は小さくなるはずである。非特許文献１において、駆動に必要な半波長電圧が溝によって顕著に増大した理由は、これによるものと思われる。一方、基板１を薄くしていくと、変調部６Ａ、６Ｂに水平方向に加わる電気力線は、薄い基板への集中によって増大する可能性がある。しかし、このような効果が、非特許文献１に記載したような電界強度低下という効果に比べて、どの程度大きなものであるかは、本発明者以前には研究されておらず、手がかりが存在しなかった。

本発明において、変調部における基板１の厚さＴｓｕｂ（図５）は３０μｍ以下とする必要があり、これによって本発明の作用効果を得ることができる。この観点からは、Ｔｓｕｂは、１５μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがいっそう好ましい。一方、Ｔｓｕｂが小さくなると、ギャップ内溝を形成したときに、光の伝搬損失が大きくなりやすいので、この観点からは、Ｔｓｕｂは３μｍ以上であることが好ましく、５μｍ以上であることが更に好ましい。

ギャップ内溝の深さＤｇは、本発明の作用効果の観点からは、基板厚さＴｓｕｂの５％以上とすることが好ましい。また、ギャップ内溝の深さＤｇは、基板厚さＴｓｕｂの８０％以下とすることが好ましい。表２に示す様にDgを基板厚の5%以上とすることで、電極による吸収損失を大きく抑制することが可能となる。また、Dgを基板厚の80%以下とすることで、光導波路がカットオフ状態になるおそれが少なくなる。

また、キャップ内溝の深さＤｇは、本発明の作用効果の観点からは、０．５μｍ以上とすることが好ましく、１μｍ以上とすることが更に好ましい。

ギャップ内溝８Ａ、８Ｂにおける基板の厚さＴｏは、本発明の作用効果の観点からは、8μｍ以下であることが好ましく、5μｍ以下であることが更に好ましい。一方、Ｔｏが小さくなりすぎると、変調部の伝搬する光の損失が大きくなるので、Ｔｏは３μｍ以上が好ましい。

電極ギャップＧは、駆動電圧を低減するという観点からは、30μｍ以下が好ましく、25μｍ以下が更に好ましい。ただし、ギャップＧを小さくすると、電極による光吸収が生ずるが、本発明ではギャップ内溝８を形成することによって、電極による光の吸収を抑制することができる。

電極厚さＴｅは、電極損失の低減という観点からは、3μｍ以上とすることが好ましく、5μｍ以上とすることが更に好ましい。しかし、電極厚さＴｅを大きくすると、電極による光吸収が生ずるが、本発明ではギャップ内溝８を形成することによって、電極による光の吸収を抑制することができる。

好適な実施形態においては、基板の一方の主面上に形成されているチャンネル型光導波路からなる光接続部を備えており、この光接続部と変調部とが連結されている。これによって、ギャップ内溝における基板厚さＴｏを例えば１０μｍ以下とした場合であっても、光接続部における基板厚さ（Ｔｓｕｂ）は大きくできる。これによって、光ファイバーのモードフィールド形状とのミスマックに起因する伝搬損失を低減することができる。

好適な実施形態においては、光接続部と変調部との間に、チャンネル型光導波路からなる連結部を備えており、この連結部が、前記一方の主面から凹んだ連結部用溝の底部に金属イオン拡散法またはプロトン交換法で形成されており、連結部用溝がギャップ内溝とつながっている。

この実施形態において特に好ましくは、連結部用溝の深さが、変調部から光接続部へと向かって減少する。また、連結部用溝の幅が、変調部から光接続部へと向かって減少する。このように、連結部用溝の幅および／または深さに対してテーパを設けることによって、変調部と光接続部との境界におけるモードフィールド形状のミスマッチに起因する伝搬損失をいっそう低減できる。

本発明の光変調器は、光の特性に変調を加えるものであれば限定されず、光強度変調器、光位相変調器であってよい。光強度変調器は、マッハツェンダー型光導波路を利用した光振幅変調器であってよい。光位相変調器とは、入射光に対して位相変調を加え、出射光から位相変調信号を取り出すものを意味する。その種類は特に限定されず、DQPSK、SSB等の各種位相変調方式を利用できる。

一実施形態においては、光位相変調器が、複数の光位相変調部を備えている。この実施形態においては、好ましくは、一つの光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極が、隣接する光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極と共通接地電極を構成している。このような共通接地電極を形成することによって、光変調部に必要な寸法を小さくし、チップの小型化に資することができる。

複数の位相変調部を用いた場合の位相変調方式は特に限定されず、ＤＱＰＳＫ(Differential Quadrature Phase Shift Keying)、SSB(Single Side Band amplitude modulation)、DPSK「Differential
Phase Shift Keying：差動位相偏移変調」など、種々の位相変調方式を採用できる。各変調方式それ自体は公知である。

例えば図４に示す光変調器では、マッハツェンダー型光導波路２０を利用して伝搬光の変調を行う。即ち、入射部２０ａから光を入射させ、分波点２０ｂで分岐し、分岐導波路２０ｃ、変調部２０ｄ、２０ｅを通過して変調を受け、合波部２０ｆで合波し、出射部２０ｇから変調光を出射させる。

ここで、本発明に従い、信号電極２と接地電極３Ａ、３Ｂとの間にギャップ内溝８を形成し、この中に変調部６Ａ、６Ｂを形成する。また、ギャップ内溝８の両側にそれぞれ連結部用溝１９を形成し、各連結部用溝１９内にそれぞれ連結部を形成する。各連結部１５は、主面１ａ上に溝なしで形成された光接続部７に向かって接続されている。

光導波路基板を構成する電気光学単結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。

光導波路基板は、例えば単結晶のＸ板またはＹ板を使用することができる。

電極の材質は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。

光導波路は、プロトン交換法または金属イオン拡散法（例えばチタン内拡散法）によってギャップ内溝の底部に形成する。この方法は常法によることができる。

例えば図１において、光導波路基板１と支持基体１５とを接着する接着剤１４の種類は特に限定されないが、厚さ３００μｍ以下が適当である。接着剤としては、ガラス系接着剤、エポキシ系接着剤、半導体製造用層間絶縁体、ポリイミド樹脂を例示できる。

（実施例１）
図１〜図５を参照しつつ説明した光変調器を作製した。
具体的には、ニオブ酸リチウム基板の３インチウエハーを準備した。この基板の厚さは１ｍｍとし、かつＸ板を使用した。反応性イオンエッチングによってギャップ内溝８を形成した。そして、この基板の主面１ａに、図４に示すようなマッハツェンダー型光導波路２０をチタン拡散法によって形成した。ただし、熱処理前のチタン線幅は、光接続部７では３．６μｍとし、変調部では８．０μｍとした。

次いで、信号電極２および接地電極３Ａ、３Ｂを金めっきによって形成した。次いで、ニオブ酸リチウム基板の薄板加工を実施した。まずニオブ酸リチウム基板の電極形成面にワックスを塗布し、厚さ１ｍｍのダミー基板（ニオブ酸リチウム製）に対して貼り付けた。この状態で、ニオブ酸リチウム基板の裏面を研磨加工し、厚さ１０μｍとした。次いで、加工済みのニオブ酸リチウム基板の裏面に、厚さ５０μｍのシート樹脂１４を介して支持基板１５（ニオブ酸リチウム製）を貼り付けた。次いでダミー基板を取り外した。こうして得られたウエハーに切断および端面研磨加工を施し、光変調器チップを得た。

変調部における電極ギャップＧは、２５、２０、１５、１０μｍに変化させた。ギャップ用溝の深さＤｇは5μｍとし、溝での基板厚さＴｏは5μｍとし、電極厚さＴｅは6μｍとし、信号電極幅Ｗは30μｍとした。

偏波面保持光ファイバー１１をフェルール１０によって保持し、チップの入力側端面に対して光学接着剤で接着した。また、シングルモードファイバー１１をフェルール１０によって保持し、チップの出力側端面に対して光学接着剤で接着した。電極をプロービングし、電圧を印加できるようにした。この結果、光ファイバーとの結合損失を含めて、チップ全体の損失は−５ｄＢ以下となった。また、直流での駆動電圧は、電極ギャップ２５、２０、１５、１０μｍに対して、それぞれ７．５Ｖ／ｃｍ、６Ｖ／ｃｍ、４．７Ｖ／ｃｍ、３．３Ｖ／ｃｍとなった。

（実施例２）
実施例１と同様にして光変調器を作製した。ただし、電極ギャップＧを 13.5 μｍとし、Ｔｓｕｂおよび溝の深さＤｇを、表１に示すように変更した。そして、駆動電圧Ｖπ・Ｌの変化を測定し、表１に示した。

この結果からわかるように、変調部における基板厚さを３０μｍ以下とすると、溝の形成によって駆動電圧が低下する。しかし、変調部における基板厚さが３０μｍを超えると駆動電圧低下の効果がなくなる。基板厚さが５００μｍになると、溝の形成によって駆動電圧が顕著に上昇する。

（実施例３）
実施例１と同様にして光変調器を作製した。ただし、電極ギャップＧを10μｍとし、変調部における基板の厚さを9μｍとし、溝の深さＤｇを、表２に示すように変更した。そして、伝搬光の電極吸収損を測定した。この結果を表２に示す。

この結果からわかるように、ギャップ内溝の底部に光導波路の変調部を形成することによって、電極吸収損を著しく低減できる。

本発明の一実施形態に係る光変調器の変調領域を示す横断面図である。 図１の光変調器と光ファイバーとの接続部分を模式的に示す平面図である。 図２の光変調器と光ファイバーとの接続部分を模式的に示す斜視図である。 本発明を適用可能な進行波形光変調器を模式的に示す平面図である。 本発明を適用可能な光変調器の寸法を示す模式図である。

符号の説明

１ 光導波路基板 １ａ 基板１の一方の主面 ２ 信号電極 ３Ａ、３Ｂ 接地電極 ６Ａ、６Ｂ 変調部 ７ 光接続部 ８ ギャップ内溝 １１ 光ファイバー １５ 連結部 １９ 連結部用溝

Claims (5)

1. 電気光学単結晶において電気光学定数が最も大きい軸を水平方向に配した基板からなり、厚さ３０μｍ以下の光導波路基板、
   前記光導波路基板の一方の主面上に設けられた信号電極および接地電極、
   前記信号電極と前記接地電極とのギャップに形成されており、前記基板の前記主面から凹んだギャップ内溝、および
   このギャップ内溝の底部に設けられたチャンネル型光導波路からなる変調部
   を備えており、前記信号電極と前記接地電極に変調電圧を印加することによって、前記変調部を伝搬する光を変調することを特徴とする、光変調器。
2. 前記基板の前記一方の主面上に形成されているチャンネル型光導波路からなる光接続部を備えており、この光接続部と前記変調部とが連結されていることを特徴とする、請求項１記載の光変調器。
3. 前記光接続部と前記変調部との間に、チャンネル型光導波路からなる連結部を備えており、この連結部が、前記一方の主面から凹んだ連結部用溝の底部に金属イオン拡散法またはプロトン交換法で形成されており、前記連結部用溝が前記ギャップ内溝とつながっていることを特徴とする、請求項１または２記載の光変調器。
4. 前記連結部用溝の深さが、前記変調部から前記光接続部へと向かって減少することを特徴とする、請求項３記載の光変調器。
5. 前記連結部用溝の幅が、前記変調部から前記光接続部へと向かって減少することを特徴とする、請求項３または４記載の光変調器。

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