JP2011169936A - リッジ光導波路とそれを用いた光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で低損失な光導波路を含むリッジ光導波路を提供する。
【解決手段】基板上に形成された光導波路にして、前記光導波路の少なくとも一部に所定の曲率半径で変形した曲がり部を有し、前記曲がり部の両側に前記基板の一部が掘り下げられて形成された所定深さの溝部を有するリッジ光導波路であって、前記曲がり部の曲率の外側の一部には、前記溝部が形成され、前記曲がり部の曲率の外側において前記溝部が実質的に形成されている領域と前記溝部が実質的に形成されていない領域とを成しており、前記曲がり部の曲率の外側において前記溝部が実質的に形成されていない領域における前記曲がり部の曲率半径が、前記曲がり部の曲率の外側において前記溝部が形成されている領域における前記曲がり部の曲率半径よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型で低損失な光導波路を含むリッジ光導波路、および当該リッジ光導波路を含むマッハツェンダ光導波路を具備し、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。

近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。

このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ₃）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。

（第１の従来技術）
特許文献１にｚ−カットＬＮ基板に分極反転を適用してゼロチャープ光変調器を実現したいわゆる分極反転ゼロチャープ光変調器が開示されている。また、特許文献２にはｚ−カットＬＮ基板にプレーナ光導波路を形成したいわゆるプレーナ型ＬＮ変調器が開示されている。そしてこのプレーナ型ＬＮ変調器を例として用いて構成した分極反転ゼロチャープＬＮ変調器を第１の従来技術として、図６にその上面図を示す。また、図６のＡ−Ａ´における断面図を図７に、Ｂ−Ｂ´における断面図を図８に示す。なお、説明をわかりやすくするために図８ではｚ−カットＬＮ基板についてのみ示している。

ここで、１はｚ−カット基板でありこの上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。３ａと３ｂはマッハツェンダ光導波路を構成する２本のアームであり、高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用光導波路ともいう。３ａと３ｂを各々第１の光導波路と第２の光導波路と呼ぶ。

ｚ−カット基板１の上にＳｉＯ₂バッファ層２が形成され、このＳｉＯ₂バッファ層２の上面に進行波電極４が形成されている。進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いている。１ａは分極反転をしていない領域（あるいは非分極反転領域）、１ｂは分極反転をした領域（あるいは分極反転領域）である。

なお、ｚ−カットＬＮ基板１を用いて製作したＬＮ光変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するためにＳｉＯ₂バッファ層２の上面前面にＳｉ導電層を用いるが、本明細書では説明を簡単にするためにＳｉ導電層については省略して議論する。

図６に示した第１の従来技術において特徴的なことは、充分に広い光変調帯域を実現するために、光変調帯域を決定する電気信号の特性を最大限に生かす構造としていることである。つまり、光変調特性を決める相互作用部において、幅やギャップなど寸法が小さい中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃは不連続部が生じないようにまっすぐ、あるいはほぼまっすぐとし、その代わりに第１の光導波路３ａと第２の光導波路３ｂに曲がり部３ａ´、３ｂ´（ベンド光導波路）を設けて各光導波路をシフトさせている。

ここで、５ａは非分極反転領域１ａにおける電気信号と光との相互作用部であり、第１の相互作用部と呼ぶ。５ｂは分極反転領域１ｂにおける電気信号と光との相互作用部であり、第２の相互作用部と呼ぶ。５ｃは第１の相互作用部５ａと第２の相互作用部５ｂの間に設けた光導波路シフト部である。第１の相互作用部５ａの長さＬ₁と第２の相互作用部５ｂの長さＬ₂についてはＬ₁＜Ｌ₂が好ましい。また、光導波路のシフト部５ｃの長さをＬ₃とする。

図６からわかるように、分極が反転していない第１の相互作用部５ａにおいては、第１の光導波路３ａの上に中心導体４ａがあり、第２の光導波路３ｂの上に接地導体４ｃがある。一方、分極が反転した第２の相互作用部５ｂにおいては、第１の光導波路３ａの上に接地導体４ｂがあり、第２の光導波路３ｂの上に中心導体４ａがある。

つまり、第１の従来技術では、ｚ−カットＬＮ基板の表面方向に第１の光導波路３ａと第２の光導波路３ｂを第１の相互作用部５ａと第２の相互作用部５ｂの間で位置的にシフトさせることにより、中心導体４ａ及び接地導体４ｂ、４ｃと第１の光導波路３ａと第２の光導波路３ｂとの相対位置を入れ替えている。この構造を採用することにより、ＬＮ光変調器により生成する光信号パルスのチャーピングを極めて小さくすることが可能である。

この第１の従来技術では、進行波電極をまっすぐ、あるいはほぼまっすぐとしているので、幅Ｓが６〜１１μｍ程度と狭い中心導体４ａと、中心導体４ａから１５〜５０μｍ程度のギャップＷを介して形成した接地導体４ｂ、４ｃには光と電気信号が相互作用する領域において電気的な不連続部はない。従って、その製作の歩留まりが格段に向上する。また、電気信号と光との相互作用部５ａ、５ｂに電気的な不連続部がないので、電気信号の透過特性であるＳ₂₁について不連続部に起因した伝搬損失や、電気信号の反射特性であるＳ₁₁に劣化がないという特徴を有している。

しかしながら、プレーナ光導波路で構成されるこの第１の従来技術には以下において議論されるように、光の挿入損失、あるいは高周波駆動電圧の観点から解決すべき課題を有している。

（第２の従来技術）
特許文献１では分極反転ゼロチャープを実現するための考え方を提案しているだけであり、そこで用いる光導波路としてはプレーナ型でもリッジ型でもよく、光導波路の構造に依存しているわけではない。

そして、特許文献３に開示されたリッジ構造は特許文献２に開示されたプレーナ構造よりも高性能であることが知られている。図７の態様にリッジ構造を適用した断面図を図９に示す。図９にはリッジ部７ａが形成されている。

リッジ構造を用いた場合における分極反転ゼロチャープ光変調器の光導波路３と、ＬＮ基板１の一部が掘り下げられて形成された溝部８ａ、８ｂ、８ｃ、及び８ｄの構成について、その上面図を第２の従来技術として図１０に示す。なお、図９は図１０におけるＣ−Ｃ´での断面図に相当している。

図１０の領域Ｉについてその拡大図を図１１に示す。図１１のＤ−Ｄ´、Ｅ−Ｅ´、Ｆ−Ｆ´における断面図を各々図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）に示す。図１２（ａ）からもわかるように図１１のＤ−Ｄ´では光導波路３ｂの曲率の外側に対してはプレーナ光導波路構造ということができる。また、図１２（ｂ）からもわかるようにＥ−Ｅ´においても、リッジ光導波路構造になろうとしているもののほとんどプレーナ光導波路構造ということができる。なお、図１２（ｃ）からもわかるように図１１のＦ−Ｆ´においては、完全なリッジ光導波路構造を有している。

図１３に、図１１の光導波路シフト部５ｃにおける光導波路３ｂのみを示す。ここで９は光導波路３ｂの幅方向における中心線であり、Ｒは中心線９の曲率半径である。図１４には光導波路３ｂの幅方向における中心線９を変数とした際のベンド光導波路の放射による挿入損失を示している。図中、光導波路３ｂが完全にプレーナ光導波路である第１の従来技術の場合を一点鎖線で、図１２のように、光導波路３ｂの曲率の外側が部分的にプレーナ光導波路でその他がリッジ光導波路で構成される第２の従来技術の場合を実線で示す。

一般に光導波路３ｂを光が伝搬する際には光導波路３ｂの曲率の外側に放射される。図１４からわかるように、光導波路３ｂの曲率の外側がプレーナ光導波路で構成される第１の従来技術では光導波路３ｂのベンドによる光の挿入損失が大きい。また、一部にプレーナ光導波路構造を有する第２の従来技術でも、光導波路３ｂの曲率半径Ｒが小さくなると、プレーナ光導波路構造に起因する放射損失のために挿入損失が大きくなってしまう。なお、参考のために、実際には実現が困難ではあるが、光導波路３ｂが全て完全なリッジ光導波路で構成されたと仮定した仮想的な構造の場合を破線で示す。

図１４からわかるように、光導波路３ｂを全て完全なリッジ構造とすると光導波路３ｂの曲率半径Ｒを小さくしても挿入損失が小さく、光導波路３ｂのベンドに必要な長さＬ₃を大変短くすることが可能となるが、この構造を実際に製作することは困難である。

そして第１の従来技術や第２の従来技術は光導波路シフト部５ｃにプレーナ光導波路を有するとともに、曲率半径が一つのベンド光導波路により形成しているため、挿入損失を小さくするためには曲率半径を大きくする（換言すると、長さＬを長くする）必要がある。

以上のように、図６に示した第１の従来技術では光導波路のシフト部５ｃにおける光導波路３ａと３ｂがプレーナ光導波路構造であるため、光導波路のシフト部５ｃにおけるベンドの曲率半径を大きくする必要があり、長さＬ₃が長くなった。そのため高周波電気信号と光が相互作用する第１の相互作用部５ａの長さＬ₁と第２の相互作用部５ｂの長さＬ₂が短くなり、高周波駆動電圧が高くなってしまうという問題があった。

一方、図１０に示す第２の従来技術では光導波路のシフト部５ｃにおける光導波路３ａと３ｂがプレーナ光導波路とリッジ光導波路の両方の構造を有している。そして、図１３からわかるように、この光導波路のシフト部５ｃは一つの曲率半径Ｒから形成されている。その結果、光導波路のシフト部５ｃのプレーナ光導波路部における光の挿入損失を抑えるために光導波路のシフト部５ｃについてベンドの曲率半径として大きな値を選択すると、図１０における光導波路のシフト部５ｃの長さＬ₃が長くなった。一方、光導波路のシフト部５ｃの長さＬ₃を短くするために、光導波路のシフト部５ｃについてベンドの曲率半径を小さくすると、今度は光導波路のシフト部５ｃのプレーナ光導波路部における光の挿入損失が光デバイスとして許容できないほど増加してしまうという問題があった。

特開２００６−２５９６８６号公報 特開平２−５１１２３号公報 特開平４−２８８５１８号公報

プレーナ光導波路構造ではベンドの曲率半径が小さいと挿入損失が急増する。そのため分極反転ゼロチャープ型光変調器において、光の挿入損失を下げるためには光導波路のシフト部がプレーナ光導波路構造からなる第１の従来技術では光導波路のシフト部におけるベンドの曲率半径が大きくなり、光導波路のシフト部の長さが長くなった。結果的にこのことは高周波駆動電圧の上昇につながっていた。一方、リッジ光導波路を有する第２の実施形態においても部分的にプレーナ光導波路構造を有し、かつ光導波路のシフト部におけるベンドの曲率半径が１種類であったため、そのその曲率半径を小さくするとプレーナ光導波路での挿入損失が増加し、逆に曲率半径を大きくすると光導波路のシフト部の全長が長くなり、結果的に第１の従来技術と同様に高周波駆動電圧が高くなるという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、低損失でコンパクトな光導波路シフト構造を提供するとともに、それを用いることにより、光変調特性が高性能で、光の挿入損失が改善された分極反転ゼロチャープ光変調器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のリッジ光導波路は、基板上に形成された光導波路にして、前記光導波路の少なくとも一部に所定の曲率半径で変形した曲がり部を有し、前記曲がり部の両側に前記基板の一部が掘り下げられて形成された所定深さの溝部を有するリッジ光導波路であって、前記曲がり部の曲率の外側の一部には、前記溝部が形成され、前記曲がり部の曲率の外側において前記溝部が実質的に形成されている領域と前記溝部が実質的に形成されていない領域とを成しており、前記曲がり部の曲率の外側において前記溝部が実質的に形成されていない領域における前記曲がり部の曲率半径が、前記曲がり部の曲率の外側において前記溝部が形成されている領域における前記曲がり部の曲率半径よりも大きいことを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２に記載のリッジ光導波路は、請求項１に記載のリッジ光導波路において、前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記曲がり部の中心線の微係数と、前記溝部が形成されている領域における前記曲がり部の中心線の微係数とが、各々の中心線の交点において一致することを特徴としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３に記載の光変調器は、電気光学効果を有する前記基板上に、請求項１もしくは請求項２に記載のリッジ光導波路を含むマッハツェンダ光導波路が形成され、前記基板の一方の面側に、前記マッハツェンダ光導波路を導波する光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる電極が形成されていることを特徴としている。

本発明のリッジ光導波路では、プレーナ光導波路構造とリッジ光導波路構造の両方を具備する光導波路の曲がり部が、複数の曲率半径を有して構成されている。そして、曲がり部におけるプレーナ光導波路領域の曲率半径は、リッジ光導波路領域の曲率半径よりも大きい。これによりプレーナ光導波路領域における光の挿入損失を極力抑えることが可能となる。

また、リッジ光導波路領域の曲率半径はプレーナ光導波路領域の曲率半径よりも小さいので、光の挿入損失を小さく抑えたまま長手方向の長さを短くすることができる。その結果、挿入損失を低くできるととともに、光導波路シフト部の長さを短くできるので、最終的に光と高周波電気信号の相互作用長を長くすることが可能となる。従って、分極反転ゼロチャープ型光変調器に本発明のリッジ光導波路を適用することにより、光の挿入損失を抑えつつ、高周波電気信号の駆動電圧が低減できた分極反転ゼロチャープ型光変調器を実現することが可能となる。

本発明の実施形態に適用する光導波路シフト部（曲がり部）についての概略構成を示す上面図 本発明の実施形態に適用する光導波路シフト部（曲がり部）の光導波路のみについての概略構成を示す上面図 本発明の実施形態の動作原理を説明する図 本発明の実施形態の動作原理を説明する図 本発明の実施形態が適用できる箇所を説明する概略構成の上面図 第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す上面図 図６のＡ−Ａ´における断面図 図６のＢ−Ｂ´における断面図 第２の従来技術の光変調器についての概略構成を示す断面図 第２の従来技術の光変調器の光導波路についての概略構成を示す上面図 図１０におけるＩの領域の拡大図 （ａ）図１１のＤ−Ｄ´における断面図、（ｂ）図１１のＥ−Ｅ´における断面図、（ｃ）図１１のＦ−Ｆ´における断面図 図６および図１０の光導波路シフト部５ｃを構成するベンド光導波路（曲がり部） 従来技術の問題点を説明する図

以下、本発明の実施形態について説明するが、図６から図１４に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。

（実施形態）
本発明の実施形態を図１に示す。本発明では高周波電気信号と光とが相互作用する相互作用部には図１０に示したようなリッジ光導波路を使用する。図１０の領域Ｉに相当する箇所の拡大図を図１に示す。

図１１のＤ−Ｄ´、Ｅ−Ｅ´、Ｆ−Ｆ´に相当する線を図１にも示す。Ｃ−Ｃ´、Ｄ−Ｄ´、Ｅ−Ｅ´における断面の基本構造は第２の従来技術として示した図１２と同じである。本発明ではＤ−Ｄ´、Ｅ−Ｅ´（つまり、図１２（ａ）、図１２（ｂ））の領域ではプレーナ光導波路構造と考え、第１の光導波路３ｂの曲率半径Ｒ_Pを光の挿入損失が大きくならない程度に（例えば３０ｍｍ程度に）大きくし、光導波路の曲率半径を小さくしても放射損失が小さなリッジ光導波路の構造を有するＦ−Ｆ´（図１２（ｃ））の領域では第１の光導波路３ｂの曲率半径Ｒ_Rを小さくすることにより、光導波路シフト部（図１０の５ｃに相当）の長さＬ₃を短くする。この光導波路３ｂの態様を図２に示す。このように構成することにより、図３に示すように光導波路の曲率半径Ｒ_Rを小さくしても光の挿入損失は増加することはない。

なお、光の挿入損失の増加を抑えるには、図４に示すように曲率半径Ｒ_Pの円弧からなるプレーナ光導波路についての中心線９ａと、曲率半径Ｒ_Rの円弧からなるリッジ光導波路についての中心線９ｂの微係数は中心線９ａと９ｂの交点１０において一致することが望ましい。図４の１１は、交点１０における中心線９ａと中心線９ｂの長手方法の座標に対する微係数であり、両者は一致していることがわかる。

従って、本発明を適用することにより、光の挿入損失を増加することなく、光導波路シフト部の長さ（図１０のＬ₃に相当）を短くすることができるので光と高周波電気信号が相互作用する相互作用長を長くすることができ、結果的に挿入損失を低く保ったまま駆動電圧を低減できるという優れた利点を生み出すことができる。

なお、図１１において、曲がり部３ｂ´における光の放射損失を抑制するためには、曲がり部３ｂ´の曲率の外側に溝部８ｃが形成されていればよく、曲がり部３ｂ´の曲率の内側に溝部８ａを形成しなくてもよい。

なお、これまで第２の光導波路３ｂにおいて光導波路シフト部５ｃでは円弧により構成されているとして議論したが、これは円弧がレチクルを作成するのに容易であることと、挿入損失が低いことによる。また本発明の動作原理についての説明が容易であるためでもある。

従って、本発明においては第２の光導波路３ｂにおいて光導波路シフト部５ｃが円弧以外の曲線であっても良い。あるいは、プレーナ光導波路が無限大の円弧を有する円弧と解釈できる直線が構成要素に含まれていても良い。そしてこれらのことは本発明の全ての実施形態についても成り立つ。勿論であるが、以上の議論は第２の光導波路３ｂにおいて同様の構造を有する他の部分、あるいは同様の構造を有する第１の光導波路３ａについても成り立つことは言うまでも無い。

本発明は、ここまで説明してきた図５の領域Ｉのみでなく、領域ＩＩ、ＩＩＩ、及びＩＶについても成り立つと言うことができる。

（各実施形態）
以上は、リッジ構造を有する分極反転ゼロチャープ型の光変調器として、例えば第１の光導波路と第２の光導波路が長手方法に光導波路シフト部（曲がり部）を各々１つ持つ構造について説明したが、２つあるいはそれ以上光導波路シフト部があってもよいことは言うまでもない。本発明はプレーナ光導波路構造とリッジ光導波路構造を有する光デバイスに適用でき、分極反転ゼロチャープ構造が好適な実施形態であるが、その他の光デバイスにも適用可能である。電極としてはＣＰＷ構造のほかに非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）などその他の構造でもよい。

また、ｚ−カットＬＮ基板について説明したが、ｘ−カットやｙ−カットなどその他の面方位のＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレート基板、さらには半導体基板など異なる材料の基板でも良い。さらに、電極は進行波電極として説明してきたが、原理的には集中定数電極でも良いので、本明細書における電極は集中定数電極も含むものとする。

１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
１ａ：非分極反転領域
１ｂ：分極反転領域
２：ＳｉＯ₂バッファ層（バッファ層）
３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ：マッハツェンダ光導波路を構成する第１の光導波路
３ｂ：マッハツェンダ光導波路を構成する第２の光導波路
３ａ´、３ｂ´：曲がり部（ベンド光導波路）
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５ａ：非分極反転領域の相互作用部
５ｂ：分極反転領域の相互作用部
５ｃ：光導波路シフト部
７ａ：リッジ部
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ：溝部
９、９ａ、９ｂ：光導波路の幅方向の中心線
１０：中心線９ａと中心線９ｂの交点
１１：中心線９ａと中心線９ｂの長手方法の座標についての微係数

Claims (3)

1. 基板上に形成された光導波路にして、前記光導波路の少なくとも一部に所定の曲率半径で変形した曲がり部を有し、前記曲がり部の両側に前記基板の一部が掘り下げられて形成された所定深さの溝部を有するリッジ光導波路であって、
   前記曲がり部の曲率の外側の一部には前記溝部が形成され、前記曲がり部の曲率の外側において前記溝部が実質的に形成されている領域と前記溝部が実質的に形成されていない領域とを成しており、
   前記曲がり部の曲率の外側において前記溝部が実質的に形成されていない領域における前記曲がり部の曲率半径が、前記曲がり部の曲率の外側において前記溝部が形成されている領域における前記曲がり部の曲率半径よりも大きいことを特徴とするリッジ光導波路。
2. 前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記曲がり部の中心線の微係数と、前記溝部が形成されている領域における前記曲がり部の中心線の微係数とが、各々の中心線の交点において一致することを特徴とする請求項１に記載のリッジ光導波路。
3. 電気光学効果を有する前記基板上に、請求項１もしくは請求項２に記載のリッジ光導波路を含むマッハツェンダ光導波路が形成され、
   前記基板の一方の面側に、前記マッハツェンダ光導波路を導波する光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる電極が形成されていることを特徴とする光変調器。
   
   
   

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