JP2011100168A

JP2011100168A - 光導波路素子

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Publication number: JP2011100168A
Application number: JP2011035198A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Hikuma; 薫日隈; Hirotoshi Nagata; 裕俊永田
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2011-05-19

Abstract

【課題】多段のマッハツエンダー型光導波路素子、さらには複数のマッハツエンダー型光導波路が並列に配置されてなる多重のマッハツエンダー型光導波路素子において、動作点シフトを抑制し、高い信頼性を実現する。
【解決手段】第１のマッハツエンダー型光導波路３に対する変調用電極を構成する第１の接地電極７、第１の信号電極５、及び第２の接地電極８を、第１のマッハツエンダー型光導波路３の２本の分岐光導波路３−１及び３−２の中心II−IIに対して左右対称となるように形成する。また、第２のマッハツエンダー型光導波路４に対する変調用電極を構成する第２の接地電極８、第２の信号電極６、及び第２の接地電極９を、第２のマッハツエンダー型光導波路４の２本の分岐光導波路４−１及び４−２の中心III−IIIに対して左右対称となるように形成する。さらに、上記変調用電極が、第１及び第２のマッハツエンダー型光導波路３及び４の中心Ｉ−Ｉに対して左右対称となるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は光導波路素子に関し、さらに詳しくは、高速・大容量光ファイバ通信システムにおける高速光変調器などに好適に用いることのできる光導波路素子に関する。

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、光導波路素子を用いた高速光変調器が実用化され、広く用いられるようになってきている。このような光導波路素子は、一般に電気光学効果を有する材料からなる基板の主面にマッハツエンダー型の光導波路が形成されており、この光導波路に変調信号を印加することによって、光信号のオン／オフを行うものである。

また、特に最近においては、基板の主面に形成されたマッハツエンダー型光導波路の分岐光導波路のそれぞれに対して、さらに第１及び第２のマッハツエンダー型光導波路を連結して多段に構成したものが開発されている。光導波路素子を多段のマッハツエンダー型光導波路から構成することによって、光信号のオン／オフのみでなく、光信号の周波数帯域を変化させたり、光信号の周波数帯域成分を変化させることができる。このような光導波路素子においても、実際の使用に際しては、バイアス電圧を印加することにより予め所定の動作点を決定し、この動作点を中心として光の変調を行うものである。

しかしながら、多段のマッハツエンダー型光導波路素子は、これを光変調器などとして長時間使用した場合において、上記動作点がシフトしてしまう場合があった。このため、当初の条件で光変調を行うと、所望する光の変調を良好に行うことができない場合があった。

本発明は、上記のような多段のマッハツエンダー型光導波路素子、さらには複数のマッハツエンダー型光導波路が並列に配置されてなる多重のマッハツエンダー型光導波路素子において、動作点シフトを抑制し、高い信頼性を実現することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面に形成された複数のマッハツエンダー型光導波路と、これら複数のマッハツエンダー型光導波路のそれぞれに対応して設けられ、前記複数のマッハツエンダー型光導波路を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具えた光導波路素子であって、
各変調用電極の下面の形態が、対応する各マッハツエンダー型光導波路の分岐光導波路間の中心に対して左右対称であり、前記複数の変調用電極の下面の形態が、前記複数のマッハツエンダー型光導波路の配列方向の中心に対して左右対称であり、素子基板全体が左右対称であることを特徴とする、いわゆる多重のマッハツエンダー型光導波路素子に関する。

また、本発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面に並列に形成された３個以上のマッハツエンダー型光導波路と、これら３個以上のマッハツエンダー型光導波路のそれぞれに対応して設けられ、各マッハツエンダー型光導波路を導波する光波を変調するための３個以上の変調用電極とを具えた光導波路素子であって、
各変調用電極の下面の形態が、対応する各マッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の中心に対して左右対称であり、前記３個以上の変調用電極の下面の形態が、前記３個以上のマッハツエンダー型光導波路の配列方向の中心に対して左右対称であり、素子基板全体が左右対称であることを特徴とする。

また、本発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面に形成された主マッハツエンダー型光導波路と、前記基板の前記主面に形成され、前記主マッハツエンダー型光導波路の一方の分岐光導波路に連結した第１のマッハツエンダー型光導波路と、前記基板の前記主面に形成され、前記主マッハツエンダー型光導波路の他方の分岐光導波路に連結するとともに、前記第１のマッハツエンダー型光導波路と平行に配置された第２のマッハツエンダー型光導波路と、前記第１のマッハツエンダー型光導波路を導波する光波を変調するための第１の変調用電極と、前記第２のマッハツエンダー型光導波路を導波する光波を変調するための第２の変調用電極とを具えた光導波路素子であって、
前記第１の変調用電極の下面の形態が、前記第１のマッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の中心に対して左右対称であるとともに、前記第２の変調用電極の下面の形態が、前記第２のマッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の中心に対して左右対称であり、前記第１の変調用電極の前記下面の形態及び前記第２の変調用電極の前記下面の形態が、前記第１のマッハツエンダー型光導波路及び前記第２のマッハツエンダー型光導波路間の中心に対して左右対称であり、素子基板全体が左右対称であることを特徴とする。

本発明者らは、上記した動作点シフトの原因見出すべく鋭意検討を行った。そして、動作点のシフトを生じさせる主要因としてＤＣドリフトと温度ドリフトとの２種類が存在することに着目し、これらの観点から詳細な検討を行った。その結果、ＤＣバイアスを印加しない場合においても、上記したような動作点シフトが生じることを発見し、上記動作点シフトにＤＣドリフトは関係しないことを見出した。そこで、本発明者らは温度ドリフトの観点からさらに詳細な検討を行った。

そして、基板の主面に形成された複数のマッハツエンダー型光導波路に対応した変調用電極の形態、すなわち、大きさや形状を変化させたところ、動作点シフトが顕著に変化することを見出した。また、この傾向は、基板主面にマッハツエンダー型光導波路が３つ以上形成されている場合において特に顕著であることが判明した。

そこで、本発明者らは、上記のように変調用電極の形態を変化させたときに、動作点シフトが生じる原因を探るべく鋭意検討を実施した。その結果、変調用電極の形態が変化することにより、光導波路素子の動作中における温度上昇によって、これら電極の基板に及ぼす応力が変化する。その結果、光導波路周辺の屈折率が変化し、この屈折率変化が光導波路へも影響するために、前記のような動作点シフトを生じさせるものであることを推定するに至った。

かかる推定の下、複数、特に３つ以上のマッハツエンダー型光導波路が形成されている素子において、前記マッハツエンダー型光導波路のそれぞれに対応した変調用電極の、光導波路が形成された基板側に接触する下面の形態を、対応するマッハツエンダー型光導波路のそれぞれにおいて左右対称とするとともに、前記複数のマッハツエンダー型光導波路を含んでなる素子全体に対して左右対称とした。

その結果、このような光導波路素子を長時間使用した場合においても、動作点シフトを生じることなく、長期的に高い信頼性を付与できることが判明した。同様の結果は、多重のマッハツエンダー型光導波路素子についても得られた。本発明は、上記のような膨大な研究の結果としてなされたものである。

本発明の多重のマッハツエンダー型光導波路素子の好ましい態様においては、前記複数の変調用電極は、それぞれほぼ同一の形態を有する。

本発明の好ましい態様によれば、変調用電極の形態自体に上記の対称性を付与する。したがって、マスキングによる通常の変調用電極の形成工程を経るのみで、変調用電極の下面の形態について上記本発明の要件を満足する変調用電極を得ることができる。

本発明によれば、環境温度が変化した場合においても動作点シフトを抑制し、高い信頼性を有する多段のマッハツエンダー型光導波路素子を提供することができる。

本発明の光導波路素子の一例を示す平面図である。図１に示す光導波路素子をＡ−Ａ線に沿って切った断面図である。本発明の光導波路素子の他の例を示す平面図である。

以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の光導波路素子の好ましい態様の一例を示す平面図であり、図２は、図１に示す光導波路素子をＡ−Ａ線に沿って切った場合の断面図である。なお、図１及び２においては、本発明の特徴を明確にすべく各部分の形状及び大きさについては実際のものとは異なるように描いている。また、図１及び２の対応する各部分についても、同様の理由から、例えば光導波路においてそれらの寸法を異なるようにして描いている。

図１及び２に示す光導波路素子２０は、電気光学効果を有する材料からなる基板１の主面１Ａに、主マッハツエンダー型光導波路２が形成されており、同じく基板１の主面１Ａに、主マッハツエンダー型光導波路の一方の分岐光導波路２−１に連結して第１のマッハツエンダー型光導波路３と、主マッハツエンダー型光導波路の他方の分岐光導波路２−２に連結して、第２のマッハツエンダー型光導波路４とが形成され、多段のマッハツエンダー型光導波路素子を構成している。

そして、基板１の主面１上にバッファ層１２が形成されている。第１のマッハツエンダー型光導波路３の２本の分岐光導波路３−１及び３−２間の中心II−II上には、第１の信号電極５が左右対称に形成され、第２のマッハツエンダー型光導波路４の２本の分岐光導波路４−１及び４−２間の中心III−III上には、第２の信号電極６が左右対称に形成されている。信号電極５及び６の形状及び大きさ、すなわち形態は互いに等しく、第１のマッハツエンダー型光導波路３及び第２のマッハツエンダー型光導波路４間の中心Ｉ−Ｉに対して左右対称に位置している。

光導波路素子２０の長さ方向の中心Ｉ―Ｉ線上には、第２の接地電極８が左右対称となるように位置している。そして、第１の信号電極５に対して第２の接地電極８と対称な位置に第１の接地電極７が形成され、第２の信号電極６に対して第２の接地電極８と対称な位置に第３の接地電極９が形成されている。また、第１の接地電極７、第２の接地電極８、及び第３の接地電極９は形状及び大きさ、すなわち形態が互いに同じになるように形成されている。

第１の接地電極７、第１の信号電極５、及び第２の接地電極８は、第１のマッハツエンダー型光導波路３に対する変調用電極を構成し、第２の接地電極８、第２の信号電極６、及び第３の接地電極９は、第２のマッハツエンダー型光導波路４に対する変調用電極を構成する。

以上のように構成された図１及び２に示す本発明の光導波路素子２０は、第１のマッハツエンダー型光導波路３及び第２のマッハツエンダー型光導波路４に対して、信号電極５及び６、並びに第１の接地電極７、第２の接地電極８、及び第３の接地電極９が左右対称となっている。

具体的には、第１のマッハツエンダー型光導波路３において、第１の接地電極７、第１の信号電極５、及び第２の接地電極８が、２本の分岐光導波路３−１及び３−２の中心II−IIに対して左右対称に形成されており、第２のマッハツエンダー型光導波路４において、第２の接地電極８、第２の信号電極６、及び第３の接地電極９が、２本の分岐光導波路４−１及び４−２の中心III−IIIに対して左右対称に形成されている。そして、第１のマッハツエンダー型光導波路３及び第２のマッハツエンダー型光導波路４においては、これらの中心Ｉ−Ｉに対して、第１の接地電極７、第１の信号電極５、第２の接地電極８、第２の信号電極６、及び第３の接地電極９が左右対称に形成されている。

上記のような構成の光導波路素子によれば、変調用電極を構成する各信号電極並びに各接地電極の下面の形態、すなわち形状及び大きさが第１のマッハツエンダー型光導波路３及び第２のマッハツエンダー型光導波路４に対して、左右対称に形成されている。このため、環境温度が変化した場合においても、第１のマッハツエンダー型光導波路３及び第２のマッハツエンダー型光導波路４に負荷される応力変化が同一となるために、これら光導波路近傍の屈折率変化を均一に行うことができ、動作点シフトの発生を抑制することができる。

従来においては、上述したような対称性は全く着目されていなかった。例えば、図１及び２に示す光導波路素子において、第２の接地電極８が第１のマッハツエンダー型光導波路３及び第２のマッハツエンダー型光導波路４の中心Ｉ−Ｉからずれていたり、第２の接地電極８の幅と比較して、第１の接地電極７の幅及び／又は第３の接地電極９の幅が大きくなるように形成されていた。このため、環境温度変化による変調用電極からの上記応力変化が不均一となり、動作点シフトを生じさせていた。

これに対して本発明は、上述したような変調用電極とマッハツエンダー型光導波路との対称性に着目し、これを実現することによって、従来生じていたような問題を回避することができるものである。

図３は、本発明の光導波路素子の好ましい態様の他の例を示す平面図である。図３に示す光導波路素子４０は、電気光学効果を有する材料からなる基板２１上に複数のマッハツエンダー型光導波路２２、２３及び２４が並列に形成されている。そして、各光導波路に対して、信号電極２５及び接地電極３３、２８、信号電極２６及び接地電極２９、３０、信号電極２７及び接地電極３１、３２が設けられている。

信号電極２５、２６、及び２７は、対応する各マッハツエンダー型光導波路２２、２３、及び２４の分岐光導波路２２−１及び２２−２間、２３−１及び２３−２間、並びに２４−１及び２４−２間の中心ＩＶ、Ｖ及びＶＩ上に位置している。そして、接地電極３３及び２８、２９及び３０、並びに３１及び３２は、中心ＩＶ、Ｖ及びＶＩに対して左右対称の位置に形成されている。

また、信号電極２６は、光導波路の配列方向の中心Ｖ上に位置するとともに、信号電極２５及び２７は、中心Ｖに対して左右対称の位置に形成されている。さらに、接地電極２９及び３０、２８及び３１、並びに３３及び３２は、中心Ｖに対して左右対称に位置している。すなわち、信号電極及び接地電極からなる各変調用電極は、各光導波路の分岐光導波路間の中心に対して左右対称に形成されるともに、全体としては、光導波路の配列方向の中心に対して左右対称となるように形成されている。したがって、上記同様に、環境温度が変化した場合においても、光導波路近傍の屈折率変化が均一となり、動作点シフトの発生が効果的に抑制される。

また、上述したように、動作点シフト抑制の効果は、図３に示すような３つの光導波路及びこれらに対応する変調用電極が形成されてなる光導波路素子、並びに４つ以上の光導波路及びこれらに対応する変調用電極が形成されてなる光導波路素子に対して本発明を適用することによって、顕著に発現される。

本発明の光導波路素子において、基板は、電気光学効果を有する材料から構成されることが必要であり、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）などの強誘電体材料を例示することができる。そして、これら材料のＸカット板、Ｙカット板及びＺカット板のいずれをも用いることができる。また、光導波路はＴｉ拡散法やプロトン交換法など公知の方法によって形成することができる。

さらに、信号電極及び接地電極には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの導電性に富む材料から真空蒸着法及びスパッタリング法などの公知の成膜法とメッキ法などを併用することによって形成することができる。

以下、実施例において本発明を具体的に説明する。
（実施例）本実施例においては、図１及び２に示すような光導波路素子２０を作製した。ニオブ酸リチウム単結晶のＺカット板を基板１として用い、この基板上にフォトレジストによってマッハツエンダー型の光導波路パターンを作製した。次いで、このパターン上に蒸着法によってチタンを堆積させた。その後、基板全体を９５０〜１０５０℃で１０〜２０時間加熱することによって、前記チタンを基板１内部へ拡散し、主マッハツエンダー型光導波路２、第１のマッハツエンダー型光導波路３、及び第２のマッハツエンダー型光導波路４を作製した。次いで、基板１上に酸化シリコンからなるバッファ層１２を厚さ１．０μｍに形成した。

その後、所定のマスクを用い、蒸着法及びメッキ法を併用することによって金（Ａｕ）からなる第１の信号電極５及び第２の信号電極６を厚さ２５μｍ、幅１５μｍに形成するとともに、第１の接地電極７、第２の接地電極８、及び第３の接地電極９を厚さ２５μｍ、幅１２５μｍに形成した。その後、このようにして作製した光導波路素子２０の主マッハツエンダー型光導波路２の入出力口に光ファイバを接続し、温度を０〜７０℃に変化させた時の動作点シフトを調べた。その結果、前記動作点シフトは１Ｖ以内であった。

（比較例）本比較例においては、上記実施例において、第２の接地電極８の幅１２５μｍに対して、第１の接地電極７の幅及び第３の接地電極９の幅をそれぞれ５５０μｍとした。上記同様にして、このようにして得た光導波路素子の主マッハツエンダー型光導波路素子の入出力口に光ファイバを接続し、温度を０〜７０℃に変化させたところ、動作点シフトは４Ｖであった。以上実施例及び比較例から明らかなように、本発明にしたがって得た光導波路素子は動作点シフトが小さく、高い信頼性を有することが分かる。

以上、本発明について具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲においてあらゆる変形や変更が可能である。例えば、図１及び２に示す第１のマッハツエンダー型光導波路３及び／又は第２のマッハツエンダー型光導波路４の各分岐光導波路に連結させて、追加のマッハツエンダー型光導波路を設け、この光導波路に対する変調用電極に対して本発明の対称性を付与することもできる。すなわち、上述した２段のマッハツエンダー型光導波路素子のみでなく、３段以上のマッハツエンダー型光導波路素子に対しても適用することができる。

１基板
２主マッハツエンダー型光導波路
３第１のマッハツエンダー型光導波路
３−１、３−２第１のマッハツエンダー型光導波路の分岐光導波路
４第２のマッハツエンダー型光導波路
４−１、４−２第２のマッハツエンダー型光導波路の分岐光導波路
５第１の信号電極
６第２の信号電極
７第１の接地電極
８第２の接地電極
９第３の接地電極
１２バッファ層
２０光導波路素子
２１基板
２２、２３、２４マッハツエンダー型光導波路
２２−１、２２−１、２３−１、２３−２、２４−１、２４−２分岐光導波路
２５、２６、２７信号電極
２８、２９、３０、３１、３２、３３接地電極

Claims

電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面に形成された複数のマッハツエンダー型光導波路と、これら複数のマッハツエンダー型光導波路のそれぞれに対応して設けられ、前記複数のマッハツエンダー型光導波路を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具えた光導波路素子であって、
各変調用電極の下面の形態が、対応する各マッハツエンダー型光導波路の分岐光導波路間の中心に対して左右対称であり、前記複数の変調用電極の下面の形態が、前記複数のマッハツエンダー型光導波路の配列方向の中心に対して左右対称であり、素子基板全体が左右対称であることを特徴とする、光導波路素子。
前記複数の変調用電極は、それぞれほぼ同一の形態を有することを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面に並列に形成された３個以上のマッハツエンダー型光導波路と、これら３個以上のマッハツエンダー型光導波路のそれぞれに対応して設けられ、各マッハツエンダー型光導波路を導波する光波を変調するための３個以上の変調用電極とを具えた光導波路素子であって、
各変調用電極の下面の形態が、対応する各マッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の中心に対して左右対称であり、前記３個以上の変調用電極の下面の形態が、前記３個以上のマッハツエンダー型光導波路の配列方向の中心に対して左右対称であり、素子基板全体が左右対称であることを特徴とする、光導波路素子。
電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面に形成された主マッハツエンダー型光導波路と、前記基板の前記主面に形成され、前記主マッハツエンダー型光導波路の一方の分岐光導波路に連結した第１のマッハツエンダー型光導波路と、前記基板の前記主面に形成され、前記主マッハツエンダー型光導波路の他方の分岐光導波路に連結するとともに、前記第１のマッハツエンダー型光導波路と平行に配置された第２のマッハツエンダー型光導波路と、前記第１のマッハツエンダー型光導波路を導波する光波を変調するための第１の変調用電極と、前記第２のマッハツエンダー型光導波路を導波する光波を変調するための第２の変調用電極とを具えた光導波路素子であって、
前記第１の変調用電極の下面の形態が、前記第１のマッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の中心に対して左右対称であるとともに、前記第２の変調用電極の下面の形態が、前記第２のマッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の中心に対して左右対称であり、前記第１の変調用電極の前記下面の形態及び前記第２の変調用電極の前記下面の形態が、前記第１のマッハツエンダー型光導波路及び前記第２のマッハツエンダー型光導波路間の中心に対して左右対称であり、素子基板全体が左右対称であることを特徴とする、光導波路素子。
前記第１の変調用電極の形態が、前記第１のマッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の中心に対して左右対称であるとともに、前記第２の変調用電極の形態が、前記第２のマッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の中心に対して左右対称であり、前記第１の変調用電極の形態及び前記第２の変調用電極の形態が、前記第１のマッハツエンダー型光導波路及び前記第２のマッハツエンダー型光導波路間の中心に対して左右対称であることを特徴とする、請求項４に記載の光導波路素子。