JP2012163840A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波電気信号のクロストークを小さくした光変調器を提供する。
【解決手段】電気光学効果を有する基板と、基板に形成された光を導波するためのマッハツェンダ光導波路を含んでなる光導波路と、基板の一方の面側に形成され、光を変調する高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用として複数の中心導体及び複数の接地導体からなる進行波電極を具備する光変調器において、複数の中心導体のうちの隣接する中心導体に挟まれた接地導体の高さが等価的に高くなるように、前記接地導体の上面に導体が立設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信などで数十ＧＨｚの高速で動作させ、高周波電気信号のクロストークを小さくした光変調器に関する。

光通信で用いられる代表的な光デバイスとして誘電体材料を用いた光変調器がある。近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されているが、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、かつ低価格の光変調デバイスの開発が求められている。

このような要望に応える光デバイスとして、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）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（変調用基板であり、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２．５Ｇｂｐｓ、１０Ｇｂｐｓ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、複数のマッハツェンダ光導波路をネスト状に組み合わせた４０Ｇｂｐｓ、あるいは１００Ｇｂｐｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。

以下、従来技術としてのＬＮ光変調器の概略について説明する。

（従来技術）
特許文献１に開示されたゼロチャープを実現するための概念を、ＤＱＰＳＫ型ＬＮ光変調器に適用した例を第１の従来技術の概略上面図として図１５に示す。図１６は、進行波電極を省略して光導波路構造のみ示している。ＤＱＰＳＫ型の構造は、ペアレントマッハツェンダ光導波路の分岐光導波路上にチャイルドマッハツェンダ光導波路が形成されたネスト型の構造となっている。

ここで１はｚ−カットＬＮ基板、２はＳｉＯ_２バッファ層、３は光導波路、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは相互作用光導波路、４ａ、４ｂは高周波電気信号用進行波電極の中心導体、５ａ、５ｂ、５ｃは電気信号用進行波電極の接地導体である。２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄはチャイルドマッハツェンダ光導波路用のバイアス電極、２１ａ、２１ｂはペアレントマッハツェンダ光導波路用のバイアス電極である。なお、温度ドリフト抑圧用として用いられるＳｉ導電層の図示は省略した。そして、Ｉを分極非反転領域、ＩＩを分極反転領域と構成している。

この特許文献１の構成は、進行波電極において相互作用部をほぼまっすぐにすることにより、マイクロ波である電気信号の特性の劣化を極力抑えることができ、また、光導波路を位置的にシフトさせることにより、中心導体及び接地導体と２本の光導波路との相対位置を電気信号と光との複数の相互作用部において逆転させている。電気信号の劣化を抑えることにより広い光変調帯域を実現するとともに、進行波電極に対し２本の光導波路の相対位置を入れ替えることができ、光信号パルスのチャーピングを極力抑えることを可能としたものである。

図１７は図１５のＡ−Ａ´における断面図である。ここで、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅはリッジ部であり、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄはリッジ部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを形成するための凹部を表している。８ａは中心導体４ａからその最近接の接地導体５ａ、５ｂに飛ぶ電気力線であり、８ｂは中心導体４ｂからその最近接の接地導体５ｂ、５ｃに飛ぶ電気力線である。

この従来技術における問題について考える。中心導体４ａ、４ｂの中心間の距離Ｓが例えば５０μｍ程度と小さい場合には、中心導体４ａから中心導体４ｂに飛ぶ電気力線９が発生する。中心導体４ａ、４ｂには各々異なる電気信号が印加されており、電気力線９は中心導体４ａ、４ｂを伝搬する高周波電気信号間の電気的クロストークとなる。なお、中心導体４ｂから中心導体４ａに飛ぶ電気力線も発生するが、ここでは図示を省略している。

図１８に中心導体４ａと４ｂの中心間の距離Ｓを変数とした場合における高周波電気信号の電気的クロストークを示す。図からわかるように、電気的クロストークを改善するには中心導体４ａと４ｂの中心間の距離Ｓを大きくする必要がある。例えば−２５ｄＢの電気的クロストークを得るには中心導体４ａ、４ｂの中心間の距離Ｓとして４５０μｍ必要であった。

このように、電気的クロストークを抑圧するために中心導体４ａ、４ｂの中心間の距離Ｓを大きくすると、ＬＮ光変調器チップの横幅が広くなり、１枚のウェーハから採れるチップの数が少なくなる。そのため、結果的にＬＮ光変調器チップ、ひいてはＬＮ光変調器モジュールのコストが上昇するという問題があった。

特開２００６−２５９６８６号公報

以上のように、従来技術ではネスト型のＬＮ光変調器における高周波電気信号の電気的クロストークを抑圧するためには、その複数個の中心導体の中心間距離を大きくする以外に方策がなく、１枚のウェーハから採れるチップの数が少なくなってしまっていた。そのため、ＬＮ光変調器チップ、ひいてはモジュールとしてのＬＮ光変調器のコストが上昇するという問題があった。本発明は、複数個の中心導体の中心間距離が小さくても良好な電気的クロストークを実現できるＬＮ光変調器の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するためのマッハツェンダ光導波路を含んでなる光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用として複数の中心導体及び複数の接地導体からなる進行波電極を具備する光変調器において、前記複数の中心導体のうちの隣接する中心導体に挟まれた前記接地導体の高さが等価的に高くなるように、前記接地導体の上面に導体が立設されてい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２に記載の光変調器は、請求項１に記載の光変調器において、前記導体が線状体でなり、前記光の導波方向に形成されてい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、請求項１に記載の光変調器において、前記導体が線状体でなり、前記光の導波方向に交わる方向に形成されてい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４に記載の光変調器は、請求項２または３に記載の光変調器において、前記導体が少なくとも２つでなり、前記接地導体の上面に積層されてい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５に記載の光変調器は、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の光変調器において、前記導体の材料が金、銅、アルミの少なくとも一つからなるワイヤーであ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６に記載の光変調器は、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の光変調器において、前記導体の材料が金、銅、アルミの少なくとも一つからなるリボンであ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７に記載の光変調器は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光変調器において、前記光導波路は、ペアレントマッハツェンダ光導波路の分岐光導波路上にチャイルドマッハツェンダ光導波路をそれぞれ有するネスト型光導波路であることを特徴としている。

本発明では、接地導体に例えば金属ワイヤーや金属リボンなどの線状の導体を張ることにより、接地電極の高さが等価的に高くなるようにし、電気力線が１つの中心導体から他の中心導体へ飛ぶのを防ぐ。これにより、優れた電気的クロストークを実現しつつ、ＬＮ光変調器のチップの幅を小さくすることができるので、１枚のウェーハから採れるチップの数を多くすることができ、結果ＬＮ光変調器のコストを低減することを可能とするという利点がある。

本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の概略上面図 図１のＢ−Ｂ´における断面図であり、第１の実施形態の原理を説明する図 電気的クロストークについて本発明の原理を説明する図 本発明の第２の実施形態に係わる光変調器の概略上面図 図４のＣ−Ｃ´における断面図であり、第２の実施形態の原理を説明する図 本発明の第３の実施形態に係わる光変調器の概略上面図 図６のＤ−Ｄ´における断面図であり、第３の実施形態の原理を説明する図 本発明の第４の実施形態に係わる光変調器の概略上面図 図８のＥ−Ｅ´における断面図であり、第４の実施形態の原理を説明する図 本発明の第５の実施形態に係わる光変調器の概略上面図 図１０のＦ−Ｆ´における断面図であり、第５の実施形態の原理を説明する図 本発明の第６の実施形態に係わる光変調器の概略上面図 本発明の第７の実施形態に係わる光変調器の概略断面図 本発明の第７の実施形態の変形例に係わる光変調器の概略断面図 第１の従来技術に係わる光変調器の概略上面図 第１の従来技術に係わる光変調器に使用されている光導波路について説明する概略上面図 図１４のＡ−Ａ´における断面図であり、第１の従来技術の問題点を説明する図 電気的クロストークを説明する図であり、第１の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。なお、図１５から図１８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。

（第１の実施形態）
図１に本発明の第１の実施形態に関する概略上面図を示す。ここで、１０は金ワイヤーである。図からわかるように、本実施形態では金ワイヤー１０を接地導体の長さ方向（光の進行方向）に張っている。図１のＢ−Ｂ´における断面図を図２に示す。

図２からわかるように、従来技術では中心導体４ａから中心導体４ｂに飛んでしまう電気力線１１、および中心導体４ｂから中心導体４ａに飛んでしまう電気力線１２を、接地導体の電位（アース）を有する金ワイヤー１０がトラップ（捕捉）している。その結果、中心導体４ａから発せられた電気力線１１は中心導体４ｂに達することはなく、電気的なクロストークを改善することができる。つまり本発明では、接地電極の高さが等価的に高くなるように構成しており、中心導体から発せられた電気力線を他の中心導体に届かないようにすることにより、電気的クロストークを改善している。このことは本発明の全ての実施形態について言うことができる。

図３に中心導体４ａと４ｂの中心間の距離Ｓを変数とした場合における高周波電気信号の電気的クロストークを、本実施形態と従来技術について示す。図からわかるように、本実施形態の構造を採用することにより電気的クロストークを大幅に改善できる。例えば、−２５ｄＢの電気的クロストークを得るには中心導体４ａ、４ｂの中心間の距離Ｓとして従来は４５０μｍ必要であったが、本実施形態を用いることにより１５０μｍで良いことがわかった。

なお、金ワイヤーを接地導体の上面に取り付ける工程は、ボンディング装置等の半導体組立装置により自動で簡易に行うことができ、製造工数の増加につながることもない。また、図１において金ワイヤー１０は接地導体５ｂに対して山なりの形状として図示したが、高さが高くなることが重要であるので勿論山なりでなくても良いことはいうまでもない。そしてこのことは本発明の全ての実施形態について言える。

このように、本実施形態を用いることにより中心導体４ａ、４ｂの中心間の距離Ｓが小さくなるので、ＬＮ光変調器チップの横幅が狭くなり、１枚のウェーハから採れるチップの数が多くなる。そのため、結果的にＬＮ光変調器チップ、ひいてはモジュールとしてのＬＮ光変調器のコストを低減できる。そして、このことはＤＰ−ＱＰＳＫのような、より複雑なネスト構造においてさらに顕著となる。

（第２の実施形態）
図４に本発明の第２の実施形態に関する概略上面図を示す。ここで、１３と１４は金ワイヤーである。図４のＣ−Ｃ´における断面図を図５に示す。この図４と５からわかるように、本実施形態では、金ワイヤー１３と１４の高さを異ならしめて構成している。このように構成することにより、中心導体４ａから中心導体４ｂに飛ぼうとする電気力線１５と１６、および中心導体４ｂから中心導体４ａに飛ぼうとする電気力線１７と１８をより確実に金ワイヤー１３と１４にトラップすることができ、第１の実施形態よりも電気的クロストーク抑圧の効率が高い。

（第３の実施形態）
図６に本発明の第３の実施形態に関する概略上面図を示す。ここで、１９と２０は金ワイヤーである。図６のＤ−Ｄ´における断面図を図７に示す。この図６と７からわかるように、本実施形態では、金ワイヤー１９と２０を、中心導体４ａと中心導体４ｂの間にある接地導体５ｂのエッジ付近に、光の進行方向に沿って並んで張って構成しており、中心導体４ａから発せられる電気力線２１と中心導体４ｂから発せられる電気力線２２を、いち早くかつ効率的に金ワイヤー１９と２０でトラップしている。そのため、本実施形態も第１の実施形態よりも電気的クロストーク抑圧の効果が高いと言うことができる。

（第４の実施形態）
図８に本発明の第４の実施形態に関する概略上面図を示す。ここで、３０は金ワイヤーである。図８のＥ−Ｅ´における断面図を図９に示す。この図８と９からわかるように、本実施形態では、金ワイヤー３０を光の進行方向と交わる方向に張り、それを光の進行方向に並べて構成している。これにより、中心導体４ａから発せられる電気力線３１と中心導体４ｂから発せられる電気力線３２を効率よく金ワイヤー３０にトラップしている。本実施形態では金ワイヤー３０を光の進行方向に密に張る（密に並べる）ことができるので、より効果的に電気的クロストークを抑圧できる。なお、図８においては金ワイヤー３０が光の進行方向に対して直交して構成しているが、直交でない角度で構成してもよいことは言うまでも無い。

（第５の実施形態）
図１０に本発明の第５の実施形態に関する概略上面図を示す。ここで、４０は金リボンである。本実施形態では複数の金リボン４０を接地導体５ｂの上に固定している。

図１０のＦ−Ｆ´における断面図を図１１に示す。この図１０と１１からわかるように、本実施形態では金リボン４０を光の進行方向に沿って複数個張っており、接地導体５ｂに密着、あるいはほぼ密着させて構成している。本実施形態では金リボン４０と接地導体５ｂの間に隙間がほぼ無いため、電気力線４１、４２をより効率よくトラップできるので、電気的クロストークをより小さくすることが可能となる。なお、金リボン４０を複数としているので接地導体５ｂへの応力が小さく、温度ドリフトに対して有利な構造と言える。

（第６の実施形態）
図１２に本発明の第６の実施形態に関する概略上面図を示す。本実施形態は１本の金リボン４３を接地導体の上に固定した構造である。電気力線４１と４２の向きは第５の実施形態と同様である。複数の金リボン４０を用いる第５の実施形態と比較すると、温度ドリフトの観点からやや不利ではあるが、１本の金リボン４３を接地導体５ｂに固定すれば良いので、製作性の面で優れる構造であると言える。

（第７の実施形態）
図１３は本発明の第７の実施形態に関する概略断面図である。本実施形態では金リボン４４、４５を接地導体５ｂの上に積層して固定している。２枚の金リボン４４、４５を重ねて固定することにより、導体としての高さがより高くなるので、電気力線４６、４７をトラップする効率が極めて高くなる。

図１４に、第７の実施形態の変形例を示す。図１３に示した態様に対し、凹部７ｃ´と７ｄ´を追加した態様となっている。６ｃ´、６ｃ´´、６ｅ´、及び６ｅ´´はリッジ部である。この態様は、本出願人の発明である特許第４１７０３７６号の構成を適用したものである。凹部７ｃの中心線に対して略対称な位置に凹部７ｄと７ｂ、凹部７ｄ´と７ａが形成されているとともに、接地導体５ｂの中心線に対して略対称な位置に中心導体４ｂと４ａ、接地導体５ｃと５ａが形成されている。このように構成することにより、温度ドリフトを抑制できるとともに、高周波電気信号の低損失な伝搬を可能とできる。なお、この変形態様は上記した第１〜６実施形態にも適用可能である。

（各種実施形態）
以上の説明において、金ワイヤー、もしくは金リボンを使用するとして説明してきたが、複数の中心導体の間にある接地導体に導体を付加することによりその高さが等価的に高くなるように構成し、電気的クロストークを抑圧するのが本発明の思想であるので、金ワイヤーの代わりに金リボン、あるいは金リボンの代わりに金ワイヤーを用いても良い。そしてさらに、ブロック状の導体など、その他の形状の導体を用いても良いことはいうまでもない。接地導体の上に形成する導体の材料としてはアルミニウムや銅、鉄、タングステンなど、導体であれば何でも良い。

なお、本明細書における説明においてワイヤー（あるいはリボンでも良い）がつながっている図面で説明してきたが、当該ワイヤー（例えば図１における金ワイヤー１０）がつながっている必要はなく、断続的に切れていても良い。

また、以上の説明においては、電気力線は空中を伝搬する線についてしか説明してこなかったが、基板内を通過する電気力線も当然に存在しており、説明の簡略化のために説明を省略している。

進行波電極構成としては構造が対称なＣＰＷ電極を用いた構成について説明したが、構造が非対称なＣＰＷ電極でも良いし、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）あるいは対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）など、その他の構成でも良い。また、半導体光変調器にも適用可能である。また、いわゆるバイアス分離型の構成を用いて説明してきたが、高周波電気信号用相互作用部にバイアスを印加するバイアス一体型の構成でも適用できることは言うまでもない。さらに、分極反転領域が１つの場合を用いて説明してきたが、２つ以上であっても良いし、またなくても良い。

１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ_２バッファ層
３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：相互作用光導波路
４：進行波電極（電極）
４ａ、４ｂ：高周波電気信号用進行波電極の中心導体
５ａ、５ｂ、５ｃ：高周波電気信号用進行波電極の接地導体
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｃ´、６ｃ´´、６ｅ´、６ｅ´´：リッジ部
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｃ´、７ｄ´：凹部
８ａ、８ｂ、９、１１、１２、１５、１６、１７、１８、２１、２２、３１、３２、４１、４２，４６，４７：電気力線
１０、１３、１４、１９，２０、３０：金ワイヤー
４０、４３、４４、４５：金リボン
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ：チャイルドマッハツェンダ光導波路のバイアス電極
２１ａ、２１ｂ：ペアレントマッハツェンダ光導波路のバイアス電極
Ｉ：非分極反転領域
ＩＩ：分極反転領域

Claims (7)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するためのマッハツェンダ光導波路を含んでなる光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号を印加するための高周波電気信号用として複数の中心導体及び複数の接地導体からなる進行波電極を具備する光変調器において、
   前記複数の中心導体のうちの隣接する中心導体に挟まれた前記接地導体の高さが等価的に高くなるように、前記接地導体の上面に導体が立設されていることを特徴とする光変調器。
2. 前記導体が線状体でなり、前記光の導波方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記導体が線状体でなり、前記光の導波方向に交わる方向に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
4. 前記導体が少なくとも２つでなり、前記接地導体の上面に積層されていることを特徴とする請求項２または３に記載の光変調器。
5. 前記導体の材料が金、銅、アルミの少なくとも一つからなるワイヤーであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の光変調器。
6. 前記導体の材料が金、銅、アルミの少なくとも一つからなるリボンであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の光変調器。
7. 前記光導波路は、ペアレントマッハツェンダ光導波路の分岐光導波路上にチャイルドマッハツェンダ光導波路をそれぞれ有するネスト型光導波路であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光変調器。

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