JP2010237593A

JP2010237593A - 光制御デバイス

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Publication number: JP2010237593A
Application number: JP2009087708A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Mototani; 将之本谷; Masaaki Sudo; 正明須藤; Junichiro Ichikawa; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP5104805B2

Abstract

【課題】信号電極に折り返しの屈曲部を有する光制御デバイスにおいても２０ＧＨｚ以上の広帯域特性を改善した光制御デバイスを提供する。
【解決手段】電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路３１〜３３と、該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極とを有する光制御デバイスにおいて、該変調電極は、信号電極４１，４２と接地電極６１〜６３から構成される、対称または非対称のＣＰＷ電極であり、該信号電極の信号入力端部５１，５２から該光導波路を伝播する光波に変調を行う作用部Ｓの開始点ｂまでの信号電極を入力側信号電極部とし、該入力側信号電極部の少なくとも一部に、配線を折り返す屈曲部Ｒを有し、該屈曲部が存在する領域の該基板の厚みが３０〜１００μｍである。
【選択図】図２

Description

本発明は光制御デバイスに関し、特に、２０ＧＨｚ以上の広帯域特性を改善した光制御デバイスに関する。

光通信分野や光計測分野において、電気光学効果を有する基板上に、光導波路、信号電極及び接地電極を形成し、該信号電極に高周波を印加し、光導波路を伝播する光波を変調する光制御デバイスが多用されている。

大量データの高速転送を実現するため、２０ＧＨｚ以上の広帯域特性を有する光制御デバイスが求められている。また、光制御デバイスを駆動するドライバを小型化・低消費電力化などのために、光制御デバイスの駆動電圧の低減が求められている。

このためには、以下のような種々の課題を解決する必要がある。
（１）光導波路を伝播する光波の速度と、信号電極を伝播する変調信号であるマイクロ波の速度との速度整合を図るため、光波の屈折率とマイクロ波の実効屈折率を一致させること。
（２）光制御デバイスに光ファイバから光波を導入する際、又は、光制御デバイスから光ファイバに光波を導出する際の光の結合効率を向上させること。
（３）信号電極に印加するマイクロ波の伝播損失を抑制するため、信号電極からマイクロ波が漏出することを抑制すると共に、信号電極に入力される前後及び信号電極の電界が導波路に作用する作用部の前後でインピーダンスを整合させ、インピーダンス不整合よるマイクロ波の反射を抑制すること。
（４）信号電極が形成する電界が、効率良く光導波路に印加される構成とすること。

このため、本発明者らは、鋭意研究を行った結果、ＬｉＮｂＯ_３結晶などの電気光学効果を有する基板において、Ｚ型カット基板を利用し、該基板上にリッジ構造の光導波路を形成すること、そして、実効屈折率やインピーダンスの調整には、該リッジ構造の形状（リッジ部の幅や高さ）や、信号電極や接地電極の形状（信号電極の幅、信号電極と接地電極との間隔、信号電極及び接地電極の高さ）を調整することで最適な数値が得られることを確認している。

他方、差動直交位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ）や特許文献１の単側波帯変調（ＳＳＢ）などでの多種多様な光変調を実現するには、図１に示すように、一つのマッハツェンダー型導波路（主マッハツェンダー型導波路）１を構成する２つの分岐導波路２に、別のマッハツェンダー型導波路（副マッハツェンダー型導波路）３を組み込む、ネスト型導波路が利用されている。しかも、副マッハツェンダー型導波路３の４つの分岐導波路４の個々に信号電極５を配置し、光変調を行うことも提案されている。

図１のような光制御デバイスでは、各導波路を伝播する光波を変調するために設けられる数の信号電極は、信号電極に変調信号を入力する電極パッド部５から変調信号の電界が該導波路に作用する作用部Ｓの開始点ｂまでの信号電極の長さＩを調整し、各作用部に変調信号が導入されるタイミングを正確に調整することが求められる。このため、図２に示すように、信号電極４２の一部Ｒが折り返される部分が形成され易くなる。

しかも、光制御デバイスを小型化するためには、信号電極の折り返しの屈曲部での曲率半径が小さくなる傾向となる。本発明者らは、このような急激に曲がる屈曲部Ｒが信号電極に存在する光制御デバイスを調べたところ、折り返しの屈曲部がない又は曲りが緩やかな信号電極を有する光制御デバイスと比較し、マイクロ波の伝播損失が極めて大きいことを見出した。しかも、マイクロ波が２０ＧＨｚを超える場合には、この傾向が顕著であり、光制御デバイスの広帯域特性を劣化させる重要な要因となっていることを見出した。

特開２００８−１１６８６５号公報特開平６−２８９３４１号公報

本発明は、上述した問題を解消し、信号電極に折り返しの屈曲部を有する光制御デバイスにおいても２０ＧＨｚ以上の広帯域特性を改善した光制御デバイス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基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極とを有する光制御デバイスにおいて、該変調電極は、信号電極と接地電極から構成される、対称または非対称のＣＰＷ電極であり、該信号電極の信号入力端部から該光導波路を伝播する光波に変調を行う作用部の開始点までの信号電極を入力側信号電極部とし、該入力側信号電極部の少なくとも一部に、配線を折り返す屈曲部を有し、該屈曲部が存在する領域の該基板の厚みが３０〜１００μｍであることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光制御デバイスにおいて、該屈曲部を含む信号電極の基板に接する部分の幅が１０μｍ以下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に記載の光制御デバイスにおいて、該信号電極は、複数の作用部に独立した変調信号を伝送する複数の信号電極から構成され、該屈曲部において、隣接する異なる信号電極の間隔が５００μｍ以下であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該基板はＺ型カット基板であり、該光導波路は該作用部においてリッジ構造を有し、該信号電極は該リッジ構造の上に配置されてい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基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極とを有する光制御デバイスにおいて、該変調電極は、信号電極と接地電極から構成される、対称または非対称のＣＰＷ電極であり、該信号電極の信号入力端部から該光導波路を伝播する光波に変調を行う作用部の開始点までの信号電極を入力側信号電極部とし、該入力側信号電極部の少なくとも一部に、配線を折り返す屈曲部を有し、該屈曲部が存在する領域の該基板の厚みが３０〜１００μｍであるため、信号電極に折り返す屈曲部がある光制御デバイスにおいてもマイクロ波の伝播損失を低減でき、広帯域特性の良好な光制御デバイスを提供できる。

請求項２に係る発明により、屈曲部を含む信号電極の基板に接する部分の幅が１０μｍ以下であるため、通常、１０μｍ以下の信号電極では屈曲部でのマイクロ波の伝播損失が大きくなるにも拘らず、本発明の技術的構成を採用することにより、マイクロ波の伝搬損失を抑制した光制御デバイスを得ることができる。

請求項３に係る発明により、信号電極は、複数の作用部に独立した変調信号を伝送する複数の信号電極から構成され、該屈曲部において、隣接する異なる信号電極の間隔が５００μｍ以下であるため、信号電極の配線をコンパクト化することが可能となり、光制御デバイスをより小型化することができる。通常、隣接する異なる信号電極の間隔が５００μｍ以下の場合には、信号電極間のクロストークが発生し易く、伝搬損失が大きくなるが、本発明のように、折り返し屈曲部が存在する領域において、基板の厚みを３０〜１００μｍとすることで、このようなクロストークや伝搬損失を抑制でき、隣接する異なる信号電極の間隔が５００μｍ以下となるような信号電極の配線も可能となる。

請求項４に係る発明により、基板はＺ型カット基板であり、光導波路は作用部においてリッジ構造を有し、信号電極は該リッジ構造の上に配置されているため、より広帯域特性の改善した光制御デバイスを得ることができる。

ネスト型導波路を有する光制御デバイスの一例を示す図である。信号電極に折り返し屈曲部を有する光制御デバイスの一部を示す図である。本発明の光制御デバイスの広帯域特性の改善状態を説明する図である。

本発明の光制御デバイスについて、以下に詳細に説明する。
本発明の特徴は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極とを有する光制御デバイスにおいて、該変調電極は、信号電極と接地電極から構成される、対称または非対称のＣＰＷ電極であり、該信号電極の信号入力端部から該光導波路を伝播する光波に変調を行う作用部の開始点までの信号電極を入力側信号電極部とし、該入力側信号電極部の少なくとも一部に、配線を折り返す屈曲部を有し、該屈曲部が存在する領域の該基板の厚みを３０〜１００μｍとすることである。

電気光学効果を有する基板の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料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（ＬｉＮｂＯ_３）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などを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、特許文献２のように、薄板１の表面に光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。本発明では、広帯域特性を良好にするため、Ｚ型カット基板を利用し、光導波路としてはドライエッチング等でリッジ構造を形成した光導波路が好適に利用される。また、Ｔｉ拡散導波路に、さらにリッジ構造を付与することも可能である。

信号電極や接地電極などの変調電極は、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、一般的に形成される。

信号電極と接地電極との配置状態は、マイクロ波の伝播損失を低減し、製造も容易なように、図２に示すように、基板上で信号電極（４１，４２）を挟むように接地電極（６１〜６３）を配置する対称型のコプレーナ電極（ＣＰＷ電極）又は、基板上で信号電極の片方に接地電極を配置した非対称のコプレーナ電極を用いることがこのましい。

信号電極の幅、特に、図１に示すような、信号電極の信号入力端部ａから該光導波路を伝播する光波に変調を行う作用部の開始点ｂまでの入力側信号電極部Ｉでは、信号電極の幅を１０μｍ以下とする。通常、信号電極の伝搬損失を低減するには、信号電極の幅を大きくすることが好ましい。しかしながら、信号電極の幅を広くすると、光制御デバイスの小型化が難しくなる。また、信号電極毎の入力側信号電極部における変調信号の伝播時間を一致させるため、各信号電極の長さを最適化する必要があるが、信号電極の幅が広くなると、曲げ部分での信号電極の長さが電極の内側と外側では大きく異なり、最適設計をすることが難しくなる。このため、本発明では、信号電極の幅を１０μｍ以下としながら、折り返し屈曲部でのマイクロ波の伝播損失を抑制するため、基板の厚みを３０〜１００μｍとしている。

次に、本発明の光制御デバイスにおけるマイクロ波の伝播損失の改善を確認するため、図１に示すような光制御デバイスをＺ型カットのＬｉＮｂＯ_３基板を利用して作成した。その際に、２つの副マッハツェンダー型導波路３の各々について、図２に示すように、副マッハツェンダー型導波路の分岐導波路３２，３３に信号電極４１，４２を配置するよう構成した。符号３１は、副マッハツェンダー型導波路の入力導波路であり、符号、５１，５２は信号電極４１，４２の信号電極に変調信号を入力する電極パッドを示す。

光導波路の作用部において、光導波路の形状をリッジ形状とし、リッジの幅を８μｍとした。また、リッジ上に信号電極を配置し、信号電極の基板に接した部分の幅は、７μｍとし、信号電極の高さは、４５μｍとし、接地電極も高さも同様とした。信号電極と接地電極との間隔は、５０μｍとし、電極パッドから作用部の開始点までの長さを５０ｍｍとした。

図２に示す、折り返し屈曲部Ｒの前後の信号電極の間隔ｄ１は、５００μｍ以下とし、２つの信号電極４１及び４２間の距離で、該屈曲部Ｒ近傍の距離ｄ２も、５００μｍ以下とした。

信号電極等の配置を同じとし、基板の厚みが異なる２つの光制御デバイス（基板の厚み：１ｍｍと０．１ｍｍの２種類）を作成し、周波数に係る電気応答特性（Ｓ２１）を試験した。その結果を、図３に示す。なお、ＬｉＮｂＯ_３基板の裏面には、接着層（厚みが約１００μｍ）を介して同じ材料の基板を補強基板として接合した。

図３から分かるように、基板の厚みを薄くした光制御デバイス（０．１ｍｍ厚み）の方が、２０ＧＨｚ以上でも、従来の光制御デバイス（基板の厚み１ｍｍ）のものと比較し、大幅に高周波特性が著しく改善していることが容易に理解される。なお、３２ＧＨｚ付近に大きなディップが存在するが、これはチップ状態でのプローブによる簡易計測のために起きている現象であり、光制御デバイス自体の特性ではない。

さらに、基板の厚みを変化させて上述した電気応答特性を測定し、折り返し屈曲部を有する信号電極に対して、基板の厚みが及ぼす影響を調べたところ、基板の厚みが３０〜１００μｍの範囲で２０ＧＨｚ以上での高周波特性が改善していることが確認できた。基板の厚みを３０μｍ未満とした場合に高周波特性の改善が期待できない理由として、光波の屈折率とマイクロ波の実効屈折率との差が生じ、光導波路のリッジ形状や信号電極と接地電極の形状などを基板の厚みを考慮して再調整する必要があるためと考えられる。

また、本発明の光制御デバイスにおいては、上述のように、信号電極は、複数の作用部に独立した変調信号を伝送する複数の信号電極から構成され、該屈曲部において、隣接する異なる信号電極の間隔（折り返し屈曲部の前後の信号電極の間隔を含む）が５００μｍ以下とした場合でも、基板の厚みを３０〜１００μｍとすることで、信号電極間のクロストークの発生を抑制し、伝搬損失を抑制することが可能となる。これにより、信号電極の配線をコンパクト化することが可能となり、本発明を用いることで、光制御デバイスをより小型化することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、信号電極に折り返しの屈曲部を有する光制御デバイスにおいても２０ＧＨｚ以上の広帯域特性を改善した光制御デバイスを提供することが可能となる。

１主マッハツェンダー型導波路
２主分岐導波路
３副マッハツェンダー型導波路
４，４１，４２信号電極
５，５１，５２電極パッド
６１〜６３接地電極
Ｒ折り返し屈曲部

Claims

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極とを有する光制御デバイスにおいて、
該変調電極は、信号電極と接地電極から構成される、対称または非対称のＣＰＷ電極であり、
該信号電極の信号入力端部から該光導波路を伝播する光波に変調を行う作用部の開始点までの信号電極を入力側信号電極部とし、
該入力側信号電極部の少なくとも一部に、配線を折り返す屈曲部を有し、
該屈曲部が存在する領域の該基板の厚みが３０〜１００μｍであることを特徴とする光制御デバイス。
請求項１に記載の光制御デバイスにおいて、該屈曲部を含む信号電極の基板に接する部分の幅が１０μｍ以下であることを特徴とする光制御デバイス。
請求項１又は２に記載の光制御デバイスにおいて、該信号電極は、複数の作用部に独立した変調信号を伝送する複数の信号電極から構成され、該屈曲部において、隣接する異なる信号電極の間隔が５００μｍ以下であることを特徴とする光制御デバイス。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御デバイスにおいて、該基板はＺ型カット基板であり、該光導波路は該作用部においてリッジ構造を有し、該信号電極は該リッジ構造の上に配置されていることを特徴とする光制御デバイス。