JP2013037243A

JP2013037243A - 光変調器

Info

Publication number: JP2013037243A
Application number: JP2011174304A
Authority: JP
Inventors: Masaki Sugiyama; 昌樹杉山; Hirohiko Yoshida; 寛彦吉田; Yoshinobu Kubota; 嘉伸久保田
Original assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Current assignee: Fujitsu Optical Components Ltd
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-02-21
Also published as: US20130039612A1

Abstract

【課題】温度ドリフトが小さく、かつ、電界の印加効率が良い光変調器を提供する。
【解決手段】光変調器は、電気光学効果を有する基板と、前記基板内に形成された光導波路と、前記光導波路の上方に設けられたバッファ層と、前記バッファ層の上方に設けられ、前記光導波路の上部に開口を有する半導電性膜と、前記バッファ層の上方に設けられ、前記半導電性膜と電気的に接触する電極と、を備える。
【選択図】図３

Description

以下の実施形態は、光通信で用いられる光変調器に関する。

LiNbO3（ＬＮ）やLiTaO2基板などの電気光学結晶を用いた光変調器は、結晶基板上の一部にTiなどの金属膜を形成し熱拡散させる、あるいは、パターニング後に安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路を形成した後、光導波路近傍に電極を設けることで形成される。

図１は、従来技術によるマッハツェンダ光変調器を示す図である。
図１（Ａ）は、マッハツェンダ光変調器の平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。

光導波路は、入射導波路１０、平行導波路１１−１、１１−２、出射導波路１２からなり、平行導波路１１−１、１１−２上に信号電極１３、接地電極１４が設けられてコプレーナ電極を形成する。

ＬＮ基板１５としてZカット基板を用いる場合は、Z方向の電界による屈折率変化を利用するため、光導波路１１の真上に電極１３、１４を配置する。平行導波路１１−１、１１−２の上にそれぞれ信号電極１３、接地電極１４をパターニングするが、平行導波路１１−１、１１−２中を伝搬する光が信号電極１３、接地電極１４によって吸収されるのを防ぐために、ＬＮ基板１５と信号電極１３、接地電極１４の間にバッファ層１６を介する。バッファ層１６としては、厚さ0.2〜2μｍ程度のＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２，あるいは、これらを混合したものを含む膜等を用いる。

バッファ層１６と電極１３、１４の間にＳｉ膜１７などの半導電性膜を設け、温度変化時の焦電効果により動作点が変動する現象（温度ドリフト）を抑制する。すなわち、焦電効果によりＬＮ基板１５内に自発分極が発生した場合、自発分極によって発生する電荷が作る電界が導波路１０、１１−１、１１−２、１２に印加されるため、電極によって印加される電界以外の光への影響が発生し、光変調器の動作点が変動する。そこで、半導電性膜を設けて、自発分極によって生じる電荷の分布を均一にし、この電荷によって発生する電界の影響を低減する。このように、自発分極によって発生する電界の影響を低減することにより、温度ドリフトを抑制することができる。

マッハツェンダ光変調器を高速で駆動する場合は、信号電極１３と接地電極１４の終端を抵抗で接続して進行波電極とし、入力側からマイクロ波信号を印加する。電極１３、１４の終端に抵抗を接続すると、電極１３、１４を伝搬するマイクロ波信号は、抵抗で熱に変換され、反射せずに抵抗に吸収される。したがって、電極１３、１４を伝搬するマイクロ波は、終端で反射されて定在波を形成することなく進行する波として伝搬する。

このとき、電界によって平行導波路１１−１、１１−２の屈折率がそれぞれ＋Δｎa、-Δｎbのように変化し、平行導波路１１−１、１１−２間の位相差が変化するため、マッハツェンダ干渉によって、出射導波路から強度変調された信号光が出力される。電極の断面形状を変化させることでマイクロ波の実効屈折率を制御し、光とマイクロ波の速度を整合させることによって高速の光応答特性を得ることができる。電極の断面形状を変化させると、信号電極１３から出て、ＬＮ基板１５を通って接地電極１４にいたる電界と、信号電極１３から、空気中を通って接地電極１４にいたる電界の比率が変わり、トータルとしてみたマイクロ波の実効屈折率が変化する。

また、マイクロ波の進行速度が光の進行速度と大きく違う場合には、信号が伝搬するにつれてマイクロ波と光の間に強弱のずれが大きくなり、マイクロ波が与える変調作用が光の広い部分（進行方向に向かって長い部分）に影響を与える。本来、光を変調する場合には光の”０”と”１”を示す変調部分が狭い範囲に限定されるようにしたいのであるが、その場合には、進行する光の一定の箇所に同じ変調作用が影響を与えるようになるのが好ましい。しかし、光とマイクロ波との進行速度が違うと、マイクロ波の変調作用が光の広い範囲（進行方向に向かって長い部分）にわたって影響を与えてしまい、シンボル間が狭い高速の光信号を生成することが出来なくなる。したがって、光を高速の応答性能を持つ、高速の変調信号とするには、光とマイクロ波の進行速度が近い値となることが好ましい。

従来技術においては、電気光学効果を有する基板に光導波路を設けた光変調器において、電極が存在しない部位に導電性膜を形成するものや、ＳｉＯ_２のバッファ層を介してＳｉで形成する半導電性膜を設けるものが知られている。

特開平８−５４５８９号公報特開平３−２０２８１０号公報

図１の従来技術では、Ｓｉ膜１７がバッファ層１６の表面全体に形成される。この構成では、光導波路１１と電極１３、１４の間にＳｉ膜１７が設けられるので、Ｓｉ膜１７が無い場合と比べて電界の印加効率が悪くなり、駆動電圧が大きくなる。また、Ｓｉの屈折率が高いために光の一部がＳｉ膜１７に漏れこみ、光の伝搬損失が発生する。

図２は、従来技術において、図１の光変調器が持つ問題を回避しようとする試みを説明する図である。
図２（Ａ）は、光変調器の平面図であり、図２（Ｂ）〜図２（Ｄ）は、図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図を示す。図２において、図１と同じ構成要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略する。

図２（Ａ)、（Ｂ)では、電極１３、１４間のＳｉ膜１７を一部のみを残して、他の箇所のＳｉ膜を除去している。これによれば、Ｓｉ膜１７によって印加電圧の印加効率が悪化するのを避けると共に、光がＳｉ膜１７に漏れこむことも軽減することができる。また、図２（Ｃ）（Ｄ）のようにＳｉ膜１７と電極１３、１４を接触させることも行なわれる。Ｓｉ膜１７と電極１３、１４を接触させることにより、接触させない場合よりも、一部しかＳｉ膜１７が無くても、光変調器の表面の広い範囲にわたって、温度ドリフトを抑制する効果が得られる。

しかしながら、図２（Ｂ）の構成では、温度変化時に発生した電荷がＳｉ膜１７で除かれにくくなるため温度ドリフトが大きくなる。更に、図２（Ｃ），（Ｄ）のように、Ｓｉ膜１７と電極１３、１４を接触させるようにする場合には、製造工程において、Ｓｉ膜１７を形成するためのマスクと、電極１３、１４を形成するためのマスクの位置決めを非常に精度よく行なわなくてはならず、マスクの製造が難しいという問題がある。また、マスクが精度良く作れたとしても、これらのマスクを使って実際のＳｉ膜１７と電極１３、１４を形成する場合にも、Ｓｉ膜１７と電極１３、１４がずれてしまう場合も発生し、製造歩留まりが悪くなるという問題もある。

以下の実施形態では、温度ドリフトが小さく、かつ、電界の印加効率が良い光変調器を提供する。

以下の実施形態の一側面における光変調器は、電気光学効果を有する基板と、前記基板内に形成された光導波路と、前記光導波路の上方に設けられたバッファ層と、前記バッファ層の上方に設けられ、前記光導波路の上部に開口を有する半導電性膜と、前記バッファ層の上方に設けられ、前記半導電性膜と電気的に接触する電極とを備える。

以下の実施形態の別の側面における光変調器は、電気光学効果を有する基板と、前記基板内に形成された光導波路と、前記光導波路の上方に設けられたバッファ層と、前記バッファ層の上方に設けられ、第１の半導電性膜と、前記光導波路の上部に設けられ、前記第１の半導電性膜よりも厚さが薄い第２半導電性膜と、前記バッファ層の上方に設けられ、前記第１および第２の半導電性膜と電気的に接触する電極とを備える。

以下の実施形態によれば、温度ドリフトが小さく、かつ、電界の印加効率が良い光変調器を提供することができる。

従来技術によるマッハツェンダ光変調器を示す図である。従来技術において、図１の光変調器が持つ問題を回避しようとする試みを説明する図である。本実施形態の第１の構成例を説明する図（その１）である。本実施形態の第１の構成例を説明する図（その２）である。本実施形態の第２の構成例である、分極反転を用いた低チャープ変調器を示す図である。本実施形態の第３及び第４の構成例を示す図である。本実施形態をマッハツェンダ変調器以外の光変調器に適用した構成例を示す図である。

図３及び図４は、本実施形態の第１の構成例を説明する図である。
図３（Ａ）は、本実施形態に従ったマッハツェンダ光変調器の平面図であり、図３（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ’断面図であり、図３（Ｃ）は、Ａ−Ａ’断面図であり、図３（Ｄ）は、Ｃ−Ｃ’断面図である。また、図４は、Ｓｉ膜の存在する部分と取り除いた部分の比率の決定手法を説明する図である。

本実施形態では、例えば図３（Ａ）にあるように、Ｓｉ膜２２の複数個所に開口部２１を設けて、Ｓｉ膜２２が複数の部分で電極２０（電極２０は、３つに分かれた電極の総称である）とバッファ層２３に挟まれる、すなわち、Ｓｉ膜２２と電極２０が複数の部分で接触するようにする。Ｓｉ膜２２を部分的に開口させる(例えば、導波路上のＳｉ膜を複数の部分で取り除く)ことにより、Ｓｉ膜２２による電界の印加効率の悪化を軽減する。また、Ｓｉ膜２２を複数の部分で電極２０と接触するようにすることにより、Ｓｉ膜２２が図３の光変調器の表面の全面に渡って導通するようにする。これにより、Ｓｉ膜２２は、ＬＮ基板２４内で焦電効果により発生する自発分極の影響を光変調器の表面の全面に渡って平均化することができる。焦電効果により発生する自発分極は、場所により異なる発生の仕方をする場合に、変調動作が不均一になるという悪影響を与える。したがって、本実施形態によれば、自発分極の影響を光変調器の全面に渡って平均化されるため、変調動作への悪影響を軽減し、よって、温度ドリフトの発生を小さくすることができる。

図３（Ｃ）の断面Ａ−Ａ’では、Ｓｉ膜２２が電極２０とバッファ層２３に挟まれ、図３（Ｂ）の断面Ｂ-Ｂ’では、導波路上方のＳｉ膜２２が除かれる。温度変化時に焦電効果により発生した電荷は、Ｓｉ膜２２が電極２０と接触している断面Ａ−Ａ’の部分（図３（Ｃ））で除かれ、温度ドリフトは抑制される。また、断面Ｂ-Ｂ’の部分（図３（Ｂ））があることによって、電極２０の電界がＳｉ膜２２によって邪魔されないため、駆動電圧が下がるとともに光の損失も低減する。すなわち、温度特性の改善と駆動電圧の低減および光の損失低減を同時に行うことができる。

以上の図３（Ａ）にあるように、電気光学効果を有するＬＮ基板２４に光導波路２５が設けられ、ＬＮ基板２４上方にバッファ層２３を介してＳｉなどの半導電性膜２２が設けられ、その上に電極２０が設けられる。半導電性膜２２が光導波路２５上方に開口部２１を有し、半導電性膜２２が複数の箇所で電極２０とバッファ層２３に挟まれて、電極２０と接触する。図３（Ａ）では、半導電性膜（Ｓｉ膜２２）が光導波路２５上方にある部分とない部分が、光導波路２５の伝搬方向で交互に配置されている。

この構成によって、温度ドリフトが小さく、かつ、電界の印加効率が良い光変調器を提供することができる。また、この構成は製造性についても利点を有する。なお、図３（Ａ）では、半導電性膜２２の上に電極２０が設けられた構成について示したが、電極２０は、半導電性膜２２上でなくバッファ層２３上に形成された状態で、半導電性膜２２と電気的に接触させる構成としても良い。

図２の従来構成では、製造の際にはＳｉ膜と電極のマスクを厳密に合わせる必要があり、マスクがずれてＳｉ膜と電極が離れてしまうと温度ドリフトは劇的に劣化する。すなわち、製造歩留まりが悪化する。

一方で、本実施形態のＢ-Ｂ’断面は、図３（Ｂ)のようになる。図３（Ｂ）に示すように、光導波路２５の幅方向におけるＳｉ膜２２の開口幅を、光導波路２５の幅よりも大きくなるようにする。製造時の位置あわせ精度に応じて、光導波路２５上にＳｉ膜２２がかからないようにＳｉ膜２２の開口幅を設定することが好ましい。Ｃ-Ｃ’断面は図３（Ｄ)のようになる。Ｓｉ膜２２のパターンに対し、電極２０のパターンが図３（Ｄ）の左右方向にずれても、電極２０とＳｉ膜２２の接触面積は大きくは変化しないため、パターンずれによる温度特性の劣化は起こらない。

図４は、開口部の大きさの比率の決定の仕方について説明する図である。
図４（１）は、横軸に開口部の面積の比率、縦軸に駆動電圧をとって、電極へ印加する駆動電圧の開口部の面積比率に対する変化の様子を示した図である。図４（２）は、横軸に開口部の面積の比率、縦軸にＳｉ膜の抵抗値をとって、抵抗値の開口部の面積比率に対する変化の様子を示した図である。

図４（１）、図４（２）から分かるように、開口部の大きさの面積比率を大きくすると、駆動電圧は下がり、抵抗値は上昇する。駆動電圧を下げるためには、開口部の比率を大きくしたほうがよく、温度特性を安定化させるためには、半導電性膜（Ｓｉ膜）の抵抗値を下げたほうが良いので、両者の間にトレードオフが存在する。

開口部の大きさの面積比率を決定するには、こうしたトレードオフを考慮して行なう必要がある。開口部の大きさの面積比率を変えた場合に駆動電圧及び抵抗値がどのように変化するかを把握し、目標とする駆動電圧、抵抗値を定めた上で、開口部の面積比率を決定する。

光強度変調器ではマッハツェンダ光変調器の構成がとられ、マッハツェンダ光変調器を構成する２つの光導波路間に発生する電荷を効率良く除去することが重要である。そこで、光導波路がマッハツェンダ変調器を形成し、マッハツェンダ変調器を構成する２つの導波路間の半導電性膜（Ｓｉ膜）が複数の箇所で電極とバッファ層に挟まれるようにする。

図５は、本実施形態の第２の構成例である、分極反転を用いた低チャープ変調器を示す図である。
図５において、点線で囲まれた部分が分極反転領域である。図５のように、光導波路２５間を電極２０（電極２０は、３つの部分からなる電極の総称である）が横切る場合は、半導電性膜（Ｓｉ膜）２２が電極２０と接触する部分と接触しない部分（開口部）が、光導波路２５の伝搬方向で交互に配置されるようにすれば、光導波路２５上にＳｉ膜がなくてもＳｉ膜と電極を接触させることができるので、電界の印加効率を向上できると共に、光エネルギーの漏れ出しによる損失を低減できる。

焦電効果により発生した電荷は、Ｓｉ膜２２を通って電極２０から電極２０へと移動するので、電極２０間をつなぐＳｉ膜２２から離れた部分があると、その付近で局所的に強い電界が生じ、温度特性を劣化させてしまう。そこで、開口部２１が複数の部分に分かれているようにして、光導波路２５付近に電荷が残らないように注意する。電界の印加効率の向上と、光エネルギーの漏れ出しによる損失の低減のためには光導波路２５上方のＳｉ膜２２が少ないほど良いが、少なすぎると温度ドリフトが劣化するので、半導電性膜（Ｓｉ膜）２２の抵抗値がバッファ層の抵抗値よりも小さい範囲でＳｉ膜２２を設ける領域の形状や面積を調整する。光の損失と駆動電圧はトレードオフの関係にあり、バッファ層を薄くすれば駆動電圧が、厚くすれば光の損失が低減する。図２の従来構成ではバッファ層の役割として損失低減が重視されたが、本実施形態による損失低減効果により、損失低減のためのバッファ層の役割が軽減されるので、バッファ層の厚みを１μｍ以下であるようにして、駆動電圧の低減効果を得ることが望ましい。

本実施形態では、従来よりもＳｉ膜の幅が狭くなるので、Ｓｉ膜の剥離が懸念される。また、バッファ層と電極の密着度も重要となる。そこで、電極を、Ｔｉを含む層とＡｕを含む層とを備える構成とし、例えばＴｉとＡｕとの２層構成とする。Ａｕは、抵抗値が小さいので、駆動電圧を印加するのに都合が良いが、Ａｕは、バッファ層との密着が悪く、はがれやすい。そこで、バッファ層との密着度の良いＴｉを、電極とバッファ層との直接接着面に用いることで、Ｓｉ膜からの電極の剥離を抑える。

本実施形態では、従来よりもＳｉ膜の面積が狭いため、電極間の抵抗が上がって温度特性が劣化する可能性がある。そこで、取り除かれていない部分のＳｉ膜の厚みを０．１μｍ以上であるようにすることが望ましい。

図６は、本実施形態の第３及び第４の構成例を示す図である。
図６（Ａ）の第３の構成例においては、ＬＮ基板２４、バッファ層２３、及び光導波路２５を含むチップの側面と裏面（底面）に半導電性膜（Ｓｉ膜２２ａ）が設けられる。そして、半導電性膜（Ｓｉ膜）２２と２２ａを導通させるようにする。このように、自発分極が発生するＬＮ基板２４を取り囲むように、Ｓｉ膜２２ａを設けると、Ｓｉ膜２２ａがＳｉ膜２２と共に、チップ表面の電荷分布を均一化しようとする。このように、電荷分布を均一化しようとする作用のあるＳｉ膜を、チップの表面のみではなく、側面や裏面（底面）に設けることにより、より強力に電荷分布の均一化作用を発生させることにより、自発分極による悪影響をより強力に抑制することができる。また、Ｓｉ膜２２、２２ａをこのように広い面積で設けることにより、電極間の抵抗の上昇を抑えることもでき、駆動電圧の上昇を抑えることができる。

また、図３（Ｄ）では、光導波路上にＳｉ膜がある部分と無い部分があり、Ｓｉ膜の屈折率の影響で、Ｓｉ膜のある部分とない部分において光のモードフィールドが変化するため、光の散乱損失が発生する可能性がある。そこで、図６（Ｂ)の第４の構成例のように、半導電性膜（Ｓｉ膜）を部分的であっても完全に除去してしまうのではなく、半導電性膜（Ｓｉ膜）が薄い部分と厚い部分が、導波路の伝搬方向で交互に配置されるようにする。半導電性膜の厚い部分の厚みは、第１の構成例で述べた厚み程度とし、薄い部分は、光のモードフィールドの変化を許容範囲内に抑える程度にする。具体的な半導電性膜の厚さについては、実験等で決定する。Ｓｉ膜が薄い部分があるので、駆動電圧の上昇を抑える効果があり、厚い部分もあるので、自発分極の発生による動作点の変動（温度ドリフト）を抑えることができる。

図７は、本実施形態をマッハツェンダ変調器以外の光変調器に適用した構成例を示す図である。
図７（Ａ）は、平面図であり、図７（Ｂ）は、Ａ−Ａ’断面図であり、図７（Ｃ）は、Ｂ−Ｂ’断面図である。

図７（Ａ）にあるように、この光変調器は、マッハツェンダ変調器とは異なり、光導波路２５が一本のみ設けられている。図７（Ｂ）にあるように、ＬＮ基板２４には、光導波路２５が形成され、その上方にバッファ層２３が設けられる。更に、バッファ層２３の上方に、Ｓｉ膜（半導電性膜）２２が設けられ、その上に電極２０が設けられる。そして、図７（Ｃ）にあるように、光導波路２５に沿って、部分的にＳｉ膜が除去された開口部２１が設けられる。開口部２１は、複数の部分に分かれており、電極２０と半導電性膜（Ｓｉ膜）２２が複数の箇所で接触（導通）するようになっている。開口部２１の面積比率は、図４を使って説明したものと同様にして決定する。

図７のような光変調器としては、光位相変調器などがある。

１０入射導波路
１１、１１−１、１１−２平行導波路
１２出射導波路
１３信号電極
１４接地電極
１５、２４ＬＮ基板
１６、２３バッファ層
１７、２２、２２ａＳｉ膜（半導電性膜）
２０電極
２１Ｓｉ膜（半導電性膜）の開口部
２５光導波路

Claims

電気光学効果を有する基板と、
前記基板内に形成された光導波路と、
前記光導波路の上方に設けられたバッファ層と、
前記バッファ層の上方に設けられ、前記光導波路の上部に開口を有する半導電性膜と、
前記バッファ層の上方に設けられ、前記半導電性膜と電気的に接触する電極と、
を備えることを特徴とする光変調器。
前記半導電性膜と前記開口とが、前記光導波路に沿って交互に設けられることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記光導波路の幅方向における前記開口の幅は、前記光導波路の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記半導電性膜の抵抗値は、前記バッファ層の抵抗値よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記バッファ層の厚みは、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記電極は、Ｔｉを含む層とＡｕを含む層とを備えることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記半導電性膜の取り除かれていない部分の厚さは、０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記半導電性膜は、前記基板の側面と裏面にも設けられることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記光導波路は、入射導波路と、平行導波路と、出射導波路とを含み、マッハツェンダ変調器を構成することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
電気光学効果を有する基板と、
前記基板内に形成された光導波路と、
前記光導波路の上方に設けられたバッファ層と、
前記バッファ層の上方に設けられ、第１の半導電性膜と、
前記光導波路の上部に設けられ、前記第１の半導電性膜よりも厚さが薄い第２半導電性膜と、
前記バッファ層の上方に設けられ、前記第１および第２の半導電性膜と電気的に接触する電極と、
を備えることを特徴とする光変調器。