JP2012163882A - 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少なくとも１つの中心導体の両側に位置する接地導体が、当該中心導体の上方をまたいで導体により接続されている。
【選択図】図２

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７に示す。図８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９は図７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１０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少なくとも１つの中心導体の両側に位置する前記接地導体が、当該中心導体の上方をまたいで導体により接続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、前記中心導体の上方をまたぐ前記導体が、前記光の導波方向に対し直交でない角度で交差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、請求項１または２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４に記載の光変調器は、請求項１または２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５に記載の光変調器は、請求項１乃至４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、中心導体を間に挟んだ両側の接地導体の間に金属ワイヤーや金属リボンなどの導体を張ることにより、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１の実施形態の変形例に係わる光変調器の概略断面図 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 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 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７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７から図１０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５ａ、５ｂ、５ｃ間に光の導波方向に対して交わる方向（略直交）に張って構成している。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（あるいは中心導体４ｂから中心導体４ａに飛んでしまう電気力線１１）を接地導体の電位（アース）を有する金リボン１０がトラップ（捕捉）している。その結果、中心導体４ａ（または４ｂ）から発せられた電気力線１１は中心導体４ｂ（または４ａ）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、接地電極の高さを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。ここで、Ｌは光の導波方向における金ワイヤー１０間の距離である。ここで、高周波電気信号が進行波電極を伝搬する際のその管内波長をλｍとすると図中のｘを１より大きくする、つまり金ワイヤー１０を張る間隔を小さくすると（換言すると、金ワイヤー１０を密に張ると）、中心導体４ａと４ｂ間を飛ぶ電気力線がトラップされる効率が高くなるので、電気的クロストークが改善できる。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４５０μｍ必要であったが、ｘを４とすることにより本実施形態を用いることにより１６０μｍ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において接地導体５ａ、５ｂ、５ｃ間に張った金ワイヤー１０は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。

ここで、図４に第１の実施形態の変形例を示す。図２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、この変形態様は以降の第２〜３実施形態にも適用可能である。

（第２の実施形態）
図５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、１２は金ワイヤーである。本実施形態では、接地導体５ａと５ｂ、接地導体５ｃと５ｂにおいて、光の伝搬方向に交互に金ワイヤー１２を張って構成している。この構造では第１の実施形態と同程度の良好な電気的クロストーク抑圧効果を有しつつ、第１の実施形態よりも張るべき金ワイヤー１２の本数が少なくなるので、より製作性が良く、かつ金ワイヤー１２によるインピーダンス低下の影響もより少ないと言うことができる。

（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、１３は金ワイヤーである。本実施形態では、接地導体５ａと５ｂ、接地導体５ｃと５ｂに張っている金ワイヤー１３を光の伝搬方向に対して斜めになるように構成している。これにより、中心導体４ａと４ｂの間で電気的クロストークを発生させる電気力線と金ワイヤー１３が平行でなくなり、互いに角度をなすので、金ワイヤー１３がそれらの電気力線をより効率良くトラップすることができる。

なお、この金ワイヤーを光の伝搬方向に対して斜めに配置する構成は、上記した第２の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、金ワイヤーを使用すると説明してきたが、中心導体の両側に位置する接地導体を導体により接続することによって電気力線が隣の中心導体に飛ぶのを抑える（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あるいはその他の導体（アルミニウム、銅、鉄、タングステン等）からなるリボンを用いてもよい。

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、４ｃ、４ｄ：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：電気力線
１０：１２、１３：金ワイヤー
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 (5)

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少なくとも１つの中心導体の両側に位置する前記接地導体が、当該中心導体の上方をまたいで導体により接続されていることを特徴とする光変調器。
2. 前記中心導体の上方をまたぐ前記導体が、前記光の導波方向に対し直交でない角度で交差す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１または２に記載の光変調器。
4. 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１または２に記載の光変調器。
5. 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４のいずれか一項に記載の光変調器。

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