JP2010078914A - 光機能デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】結晶内部の分極反転構造と分極反転の界面歪に起因する温度ドリフト現象を解決する。その際に光挿入損失を大きくすることなく、更に駆動電圧等の光変調特性を劣化させることなく十分な温度ドリフト低減を行う。
【解決手段】
電気光学結晶基板と、前記電気光学結晶基板の一部に分極反転領域を有し、前記電気光学結晶基板の表面に形成された光導波路と、前記分極反転領域による分極反転界面と前記光導波路の間に応力を緩和する溝を有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光通信において光信号を制御する光機能デバイスに関する。

超高速ＷＤＭ（波長分割多重）システムにあっては、広帯域、低電圧及び低挿入損失が求められる。

LiNbO₃又はLiTaO₃などの電気光学結晶基板を用い、導波路を有するマッハツェンダ（Mach-Zehnder）変調器は、低挿入損失、低周波数チャープ並びに波長依存性が少なく、ＷＤＭシステムにおいて有利な光変調素子である。

図１に、光機能デバイスとして光変調素子の構成例を示す。図１（Ａ）は光変調素子の上面図、図１（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線に沿う断面図である。

光変調素子は、LiNbO₃又はLiTaO₃などの電気光学結晶基板を用い、結晶基板１上の一部に金属膜を形成し熱拡散させる、あるいはパターニング後に安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路２（２Ａ，２Ｂ）を形成する。その後、光導波路２の近傍に電極（信号電極３Ａ及び接地電極３Ｂ）を設けることで形成される。

その際、電極による光の吸収が起こらないように、SiO₂などの絶縁膜をバッファ層４として、信号電極３Ａ，接地電極３Ｂと電気光学結晶基板１との間に形成する。

ここで、光変調素子を高速で駆動する場合は、信号電極３Ａと接地電極３Ｂの終端を抵抗で接続して進行波電極とし、入力側からマイクロ波信号を印加する。

このとき、電界によって平行する導波路２Ａ,２Ｂの屈折率がそれぞれ＋Δｎa、-Δｎbのように変化し、導波路２Ａ,２Ｂを伝播する光信号において、位相差が変化する。これにより入射側導波路２(in)に入射された光信号に対し強度変調された信号光が出射導波路２(out)から出力される。

さらに、信号電極３Ａと接地電極３Ｂの断面形状を変化させることでマイクロ波の実効屈折率を制御し、光とマイクロ波の速度を整合させることによって広帯域の光応答特性を得ることができる。

しかしながら、平行する導波路２Ａ,２Ｂに印加される電界の絶対値が異なると、Δｎa<Δｎbとなるため、オン状態からオフ状態への過渡期において出力光の波長が変化する現象（チャープ）が生じる。

これを解決するために、一部に分極反転した領域を形成した結晶基板を用いる。すなわち、図１において、破線で囲まれた部分が分極反転領域５であり、信号電極３Ａは分極反転領域５の外側の非反転領域で導波路２Ａ上を（図１（Ｂ））、反転領域５内で導波路２Ｂ上を（図１（Ｃ））を通るようにする。なお、図において、＋Ｚの矢印は分極方向を示している。

図１（Ａ）において導波路の長さについて、Ｌ1=Ｌ2である場合、導波路２Ａ,２Ｂを通る光は非反転領域でそれぞれ位相が＋Δθs,-Δθgだけ変化し、反転領域では＋Δθg,-Δθsだけ変化する。ここでΔθs,Δθgはそれぞれ信号電極３Ａ(signal) 、接地電極３Ｂ(ground)による光の位相変化量を示す。

したがって、導波路２Ａ,２Ｂを通る光の位相は出力側のＹ分岐導波路２Ｄにおいて、それぞれ+(Δθs+Δθg),-(Δθs+Δθg)だけ変化することになり、絶対値が等しく符号が反転した位相変調となる。そのため、波長チャープを０にすることができる。

このような分極反転を利用したその他の光機能デバイスとして、特許文献１には分極反転領域での逆変調を利用したチャープ可変変調器、特許文献２には光変調器の周波数応答特性をフラットにした変調器、特許文献３には波長変換素子の例が開示されている。

ここで、電気光学結晶基板に分極反転領域を含む光機能素子においては、環境温度が変化した時に分極反転領域５と結晶基板１との界面により応力が発生する。そして、この発生した応力により光導波路部分の屈折率が温度変動するという問題が発生する。

このような反転界面での歪に関連して、非特許文献１は、分極界面歪を利用した光変調器デバイスを開示している。

さらに、光導波路部の屈折率の温度変動はデバイス特性に様々な悪影響を与える。特に図１に示したようなマッハツェンダー干渉計タイプの光変調素子では、温度に伴う屈折率変動は動作点変動となり、変調特性を著しく劣化させる。この現象は温度ドリフト現象と呼ばれる。

一方で特許文献４には、電気光学結晶基板の光導波路が形成された両脇側に長い畝状の溝即ち、リッジ溝を形成した構造(リッジ導波路)により光変調器を広帯域化する技術が示されている。

また特許文献５にはリッジ導波路と分極反転領域５を両方含んだ光変調器が開示されている。この特許文献５に示される例では、リッジ導波路が光導波路とマイクロ波が相互作用する領域に適用される。
特開２００５―２７４７９３号公報 特開２００５―２８４１２９号公報 特許第３３０３３４６号公報 特開平８-１６６５６６号公報 特開２００５-２７５１２１号公報 「Suppression of thermal dreift in an ultra-high-speed LiNbO3 optical modulator」T.Shiraishi et al., LEOS2007,TuC2

図２に上記リッジ導波路と分極反転領域を備える、代表的な光変調器について、その上面図（Ａ）と断面図（Ｂ：Ａ−Ａ’線 に沿う断面），（Ｃ：Ｂ−Ｂ’線に沿う断面）を示す。図１と同様の部位には同じ参照番号を付している。

ここで、本発明者の研究結果から、分極反転の界面７（分極反転領域と非分極反転領域との境界）と導波路２Ａ，２Ｂの間の基板表面にリッジ溝６があるような場合には界面７から発生する応力がリッジ溝６により低減され、導波路２Ａ，２Ｂに影響を与えにくくなることが分かった。

一方、リッジ溝６を有するリッジ導波路は導波路２Ａ，２Ｂの近傍に形成されるため散乱により光挿入損失が大きくなる。このため、リッジ導波路を形成していない光変調器も多く採用される。

またリッジ導波路を形成する場合であっても、リッジ導波路の形成は、最低限のエリアに制限する必要がある。

さらに、本発明者らの研究によれば、リッジ溝６の深さを深くした方が応力低減の効果が大きいことが判明したが、通常のリッジ導波路ではリッジ溝６の深さを深くしすぎると駆動電圧が上がってしまうため、応力低減の効果だけで深くすることはできず、応力低減の効果が不十分である。例えば、特許文献４では溝の深さは１〜１０μｍの範囲とすることが開示されている。

したがって、本願発明は、このような結晶内部の分極反転構造と分極反転の界面歪に起因する温度ドリフト現象を解決すること、その際に光挿入損失を大きくすることなく、更に駆動電圧等の光変調特性を劣化させることなく十分な温度ドリフト低減を行う光機能デバイスを提供することを目的としている。

上記課題を解決するための光機能デバイスは、LiNbO₃等の分極反転することができる電気光学結晶基板と基板表面に光導波路を形成しており、光導波路に沿って分極反転の界面を有する。さらに、分極反転界面と光導波路の間に応力を緩和する溝を形成する手段を有する。

また課題を解決するための第二の手段として、LiNbO₃等の分極反転することができる基板と基板表面に光導波路を形成しており、光導波路の両側には溝を形成してあるリッジ導波路であり、光導波路に沿って分極反転の界面を有する。さらに、分極反転界面とリッジ導波路の溝との間にリッジ導波路の溝より深い溝を形成する。

以下に添付図面を参照して、光機能デバイスの好適な実施例を説明する。

（第一の実施例）
図３に光機能デバイスの第一の実施例として、光変調素子を示し、図３（Ａ）はその上面図、図３（Ｂ）は、Ａ−Ａ’線に沿う断面図である。

第一の実施例の光変調素子は電気光学結晶であるLiNbO₃又はLiTaO₃結晶基板１上にリッジ構造を有しない光導波路２Ａ，２Ｂと、光導波路２Ａ，２Ｂに沿った分極反転界面７を有する。

なお、図３に示す光変調素子は、分極反転を利用したゼロチャープ変調器への適用例を示しているが、結晶基板１内に光導波路２とそれに沿った分極反転界面７を含めばこれ以外の構成の変調器にも当然適用が可能である。

図３では電気光学結晶基板１における分極反転領域５と非分極反転領域との境界面である分極反転界面７がある部分の基板表面に応力を緩和する溝として溝部８を設けている。

分極反転界面７より発生する応力は、分極反転領域５と電気光学結晶基板１との界面部分で一様に発生していると考えられる。したがって、分極反転界面７部分に溝部８を設け、応力を緩和する溝とすることで界面応力が導波路２Ａ，２Ｂに直接伝わらなくなり、導波路２Ａ，２Ｂに与える歪量を小さくすることができる。

応力を緩和する溝として図３では空気層である溝部８を設けているが、適用範囲はこの限りではない。すなわち、空気層ではなく溝部８に結晶基板１よりもヤング率が低い充填剤を詰めた構造とすることも可能である。

充填剤としてはSiO2、ポリイミド等のポリマー系の柔らかい(ヤング率が低い)物質が望ましい。このような応力を緩和する溝である溝部８が存在することで図４に模式的に示すように界面部分７で発生する応力９が、溝部８で緩和され、導波路部分に与える影響を小さくすることができる。すなわち、導波路２Ａ，２Ｂに与える歪が小さくできる。

ここで補足として、温度ドリフトと導波路にかかる歪の関係について説明する。図１に示したようなマッハツェンダ干渉計（MZI）型光変調器において入出力の分岐カップラー２Ｃin、２Ｃoutが３ｄＢであり、MZI部分で損失がない場合、出力の光強度Ｓは、入力の光強度Ｓ_０に対し、

で表される。

ここで、φ₂、φ₁はそれぞれ光導波路２Ａ，２Ｂでの光の位相変化であり、

で表される。

ここでn₀は基板の屈折率、rは電気光学係数、Γは電界効率、Ｅは信号電極３Ａ、接地電極３Ｂ間に加わる電界、Lは信号電極３Ａと導波路２Ａ，２Ｂとの作用長である。すなわち、かかる関係式からMZI型光変調器では光強度は２本の導波路２Ａ，２Ｂ間の屈折率差に応じて変化するといえる。

先に述べたように、光変調器にはある光強度曲線の所定の動作点を設定しておき、それを基準にして信号に変調をかける。

ここで、２本の導波路２Ａ，２Ｂ間に温度により屈折率差が発生したとする。所定の動作点に動かすための電圧をＶb、変調電圧をＶsとすると先の光強度を表す式は、

と表せる。Ａ，Ｂは比例定数、Δn(Ｔ)は温度により２本の導波路２Ａ,２Ｂ間に発生する屈折率差である。

一般的にＶbはＤＣ電圧（バイアス電圧）であり、Ｖsは変調器を駆動するための高速の無線周波数（ＲＦ）信号である。温度によりΔn(Ｔ)が発生すると、Ｖbにより設定していた動作点の位置がずれることを意味する。

一方で先の非特許文献１に示されるように、温度により分極反転の界面歪が変化すると、光弾性効果により屈折率変化が発生する。

導波路２Ａ，２Ｂに加わる歪量をＳとすると、
屈折率変化は次の式で表される。

ここでＳは結晶基板１に加わる歪、ｐは光弾性係数である。例えば電気光学結晶基板１にLiNbO₃を用いた場合には光弾性定数ｐは正の符号となるので、基板表面に正の歪(伸張歪)が加わるように応力層を形成すると屈折率が低減する。歪Ｓと応力Ｔの関係は結晶基板の弾性定数から弾性方程式を解くことにより導出できる。

弾性方程式はテンソル方程式で表され、
[Ｔ]=[ｃ][Ｓ]
で表される。ここでｃは弾性定数であり結晶基板１の材質により決まる。

例えば、LiNbO₃基板のときは、応力Ｔが負の時には発生する歪Ｓは負となり、応力Ｔが正の時には発生する歪は正となり、その大きさも比例の関係にあると考えてよい。

以上の様な効果により導波路２Ａ，２Ｂに加わる応力または歪を低減することができれば、温度ドリフトが低減することが可能となる。

そして、図３において、応力を緩和する溝として溝部８を設けることにより、導波路２Ａ，２Ｂに加わる応力または歪を低減することができるので、温度ドリフトも低減することが可能である。

（第二の実施例）
図５に第一実施例を変形した第二の実施例を示す。

図５に示す実施例構成は、応力を緩和する溝である溝部８が分極反転界面７の直上でなく分極反転界面７と光導波路２Ａ，２Ｂの間に位置している。かかる点以外は、図３の実施例と同様である。したがって、図３と重複する部位の説明は省略する。

光導波路２Ａ，２Ｂに対して溝８の位置は光導波路２Ａ，２Ｂのそれぞれに対して何れか片側のみに形成されることで溝８による光挿入損失の劣化を避けている。

また図５で光導波路２Ａの界面と溝部８の界面の距離をＤxとした時に、Ｄxを十分に広くすることが可能であり光挿入損失を劣化せずに、温度ドリフトの低減が可能となる。

本発明者の研究において、光挿入損失を劣化させないＤxとして、１０μｍ以上であることが望ましいことを見出している。

これに対して、従来のリッジ導波路では導波路に近接して溝を形成する必要がある。かかる場合において形成される溝と光導波路２Ａの界面間の距離は、特許文献（特開平１０-３９２６６号公報）の中で開示しているように、光導波路幅を８μｍとしてＤxに換算すると、Ｄxが６μｍ以下である。

これに対し、図５に示す実施例では、Ｄxを１０μｍ以上としているので、応力を緩和する溝としての溝部８は、上記特許文献（特開平１０-３９２６６号公報）に記載される溝とは、目的及び、性格が異なるものである。

（第三の実施例）
図６に第三の実施例の光変調素子の上面図を示す。この第三の実施例ではマッハツェンダー干渉計(MZI)を２個並べた形式のDQPSK（Differential Quadrature Phase Shift Keying）変調を行う変調器に適用した例である。

近年変調フォーマットの多値化に伴いこのような複雑な変調器のチップ構成が要求される。

図６ではマイクロ波はチップ下側（図６の下側）の信号電極３Ａ及接地電極３Ｂ間に入力し、上側マッハツェンダー干渉計MZIではチップ上側で５０Ω終端（Ｘ）をしている。一方で下側マッハツェンダー干渉計MZIではチップ下側で５０Ω終端（Ｙ）している。

マイクロ波の入力部、出力部は外部インターフェースとの整合により自由に配置する必要がある。

上側マッハツェンダー干渉計MZI、下側マッハツェンダー干渉計MZI、また上側と下側の合波後のマッハツェンダー干渉計MZIにはそれぞれ位相調整用のバイアス電圧を設定するＤＣ電圧が供給されるＤＣ電極１０が設けられている。

この位相調整用のＤＣ電極１０はバイアスティーを使用して、信号電極部３Ａと共通化する方法もある。ＤＣ電極１０の配置、有無に関してもコスト及び外部のドライバ回路との特性整合から自由な設計が求められる。

図６に示す例では、上側マッハツェンダー干渉計MZI、下側マッハツェンダー干渉計MZIのそれぞれは、分極反転領域５Ａ，５Ｂにおいて導波路と平行な分極反転界面は片側のみに形成される。したがって、形成された一つの分極反転界面に対応して、それぞれのマッハツェンダー干渉計MZIにおいて、応力を緩和する溝である溝部８が一つずつ形成されている。

さらに、かかる自由な設計は、複雑化していくチップの電極配置、分極反転配置の観点から非常に重要となってくる。一般的に光変調器の帯域を考慮してリッジ導波路を形成する場合は、変調部のみをリッジ導波路にする。これは先に述べた光挿入損失の劣化をなるべく抑えるためである。

そして、リッジ導波路を形成する場合であっても、図７に示す様にチップが複雑化してＤＣ電極１０部分のリッジでない導波路と、下側マッハツェンダー干渉計MZIに対応する分極反転領域５Ｂの分極反転界面が沿ってしまう部分が出る場合がある。かかる場合は、応力を緩和する溝である溝部８を形成することで、温度ドリフトを低減することが可能である。

（第四の実施例）
図８に第四の実施例の光変調素子の上面図（図８（Ａ））ならびにＡ−Ａ’線に沿う断面図（図８（Ｂ））を示す。第四の実施例ではリッジ導波路が形成されている光導波路に沿って分極反転領域５がある場合に適用できる。

リッジ導波路の溝６の深さ（図８中のGh）は先に述べたように数μｍ程度(１〜１０μｍ)である。それ以上になると駆動電圧の劣化が顕著となる。

第四の実施例ではリッジ溝６よりも深い深さ(Gh2)の、応力を緩和する溝となる溝８を分極界面７の上部に形成している。ここで応力緩和の効果は溝８の深さに依存しており、Gh2>Ghとすることで変調特性を劣化させずに応力緩和が可能である。

（第五の実施例）
図９は第五の実施例として、第四の実施例の変形例を示す。図９において、第五の実施例の光変調素子の上面図（Ａ）ならびに断面図（Ｂ）が示されている。図８と同等の部位については、同様機能であるので、更なる説明は省略する。

図９では応力を緩和する溝８の位置が分極界面７の直上でなく導波路２Ａ，２Ｂとリッジ溝６の間に位置する。応力を緩和する溝８の位置としてはこの限りではなく、例えば図に示されるように一部がリッジ溝６と重なっていても良い。ただし、光挿入損失の劣化を防ぐため導波路２Ａと応力を緩和する溝８の距離Ｄxは１０μｍ以上であるのが望ましい。

図１０には上記の第一乃至第五の実施例の効果を確認するため分極反転界面７で任意の値の応力が発生しているとして、導波路２Ａ、２Ｂに加わる歪量εxをシミュレーションした例を示す。

図中の縦軸は導波路２Ａ，２Ｂに横方向に加わる歪量εx、横軸は応力を緩和する溝８の深さGh2である。応力を緩和する溝８の深さGh2が深いほど、導波路に加わる歪量εxを低減できる。つまりは歪量εxに比例した温度ドリフト量を低減できることが分かる。

歪量εxの低減具合はGh2に大きく依存しており導波路２Ａ（２Ｂ）と分極界面７の距離Ｄxにはあまり依存していないことが分かる。

つまり距離Ｄxを１０μｍ以上と光導波路２Ａから離しても十分に歪量εxを低減できることが分かる。

図１１には更に図８、図９の実施例の効果を確認するためのシミュレーション結果を示す。図１１ではリッジ導波路の場合にリッジ溝６より深い溝８をリッジ溝６と分極界面７の間に形成した例である。リッジ溝６の深さ(Gh=10μm)より深いGh2の応力を緩和する溝８を形成することで、温度ドリフトを低減することが可能となる。この場合先に述べたように応力を緩和する溝８の深さGh2を大きくしても変調特性を劣化せずに温度ドリフトを低減できる。

光機能デバイスとして光変調素子の従来の構成例を示す。 リッジ導波路と分極反転領域を備える従来のリッジ導波路と分極反転領域を含む光変調器を示す図である。 光機能デバイスの第一の実施例として、光変調素子を示す図である。 界面部分で発生する応力を模式的に示す図である。 第一実施例を変形した第二の実施例を示す図である。 第三の実施例の光変調素子の上面図を示す図である。 第三の実施例において、応力を緩和する溝である溝部を形成する図である。 第四の実施例の光変調素子を示す図である。 第五の実施例として、第四の実施例の変形例を示す図である。 第一乃至第五の実施例の効果を確認するためのシミュレーション結果を示す図である。 第四、第五の実施例の効果を確認するためのシミュレーション結果を示す。本発明の第三実施例の効果を示す計算結果を示す図である。

符号の説明

１ 電気光学結晶基板
２（２Ａ，２Ｂ） 光導波路
３Ａ、信号電極
３Ｂ 接地電極
４ バッファ層
５ 極反転領域
６ リッジ溝
７ 分極反転の界面
８ 応力を緩和する溝（溝部）

Claims (12)

1. 電気光学結晶基板と、
   前記電気光学結晶基板の一部に形成された分極反転領域と、
   前記電気光学結晶基板の表面に形成された光導波路と、
   前記分極反転領域による分極反転界面と前記光導波路の間に応力を緩和する溝を有する、
   ことを特徴とする光機能デバイス。
2. 請求項１において、
   前記応力を緩和する溝の位置に分極界面が対応することを特徴とする光機能デバイス。
3. 請求項１において、
   前記分極界面は前記光導波路の片側にあり、前記応力を緩和する溝も光導波路の片側に形成されていることを特徴とする光機能デバイス。
4. 請求項１において、
   前記応力を緩和する溝は、前記光導波路の片側に形成されていることを特徴とする光機能デバイス。
5. マイクロ波を印加する信号電極部と
   直流電圧を印加する直流印加部を有し、
   前記信号電極部はリッジ導波路であり、
   前記直流印加部はプレーナー型光導波路であり、
   前記直流印加部の光導波路の一部が分極界面に沿うように構成され、
   前記分極界面と光導波路の間、または前記分極界面の位置に応力を緩和する溝を有する、
   ことを特徴とする光機能デバイス。
6. 請求項１乃至５において、
   前記光導波路界面と応力を緩和する溝界面の距離が１０μｍ以上であること特徴とする光機能デバイス。
7. 電気光学結晶基板の一部に分極反転領域を有し、前記電気光学結晶基板の表面に形成された両脇に溝が形成されたリッジ光導波路を有し、
   前記リッジ光導波路の少なくとも一部に沿って分極反転界面が形成され、更に、前記分極界面と前記光導波路の間に少なくとも１個以上の応力を緩和する溝を有し、
   前記応力を緩和する溝の深さはリッジ光導波路を形成する溝よりも深く形成されている、
   ことを特徴とする光機能デバイス。
8. 請求項7において、
   前記応力を緩和する溝の位置に分極界面があることを特徴とする光機能デバイス。
9. 請求項7において、
   前記リッジ光導波路を形成する溝と応力を緩和する溝が部分的に重なっていることを特徴とする光機能デバイス。
10. 請求項７乃至９の何れか１項において、
    光導波路界面とリッジ導波路を形成する溝界面の距離が６μｍ以下であり、かつ前記光導波路界面と前記応力を緩和する溝界面の距離が１０μｍ以上であること特徴とする光機能デバイス。
11. 請求項1乃至１０の何れか1項において、
    前記電気光学結晶がLiNbO3またはLiTaO3であることを特徴とする光機能デバイス。
12. 請求項1乃至１０の何れか１項において、
    前記応力を緩和する溝が結晶表面に形成された溝であり空気層であることを特徴とする光機能デバイス。

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