JP2013125217A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度ドリフト特性を改善した信頼性の高い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１と、基板に形成された２本の光導波路３と、基板の上に形成されたバッファ層２と、バッファ層の上方に配置された中心導体４ａと接地導体４ｂからなる進行波電極と、基板を保持する台座７とを具備する光変調器において、基板の裏面全面に導電性膜８を具備し、該導電性膜を介して基板が接着層９により台座に固定されて構成され、接着層は、２本の光導波路と交わる方向の断面において、２本の光導波路から遠い第１基板側壁側５１に配置されてなり、環境温度が変化した際に台座と基板の熱膨張係数の差に起因して発生する２本の光導波間における応力複屈折率の差が小さくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気光学効果を利用して、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（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（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。

以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したＬＮ光変調器について説明する。

（第１の従来技術）
図７は、ｚ−カットＬＮ基板を用いて構成した特許文献１に開示された第１の従来技術のＬＮ光変調器（あるいは、プレーナ型ＬＮ光変調器）についての斜視図、図８はその上面図、また図９（ａ）は図７のＡ−Ａ´線における断面図である。なお、以下の議論はＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫのような複数のマッハツェンダ構造を有するネスト構造の光変調器においても言うことができるが、ここでは簡単のために１個のマッハツェンダ光導波路を有する光変調器について考える。

ｚ−カットＬＮ基板１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。従って、光導波路３の電気信号と光が相互作用する部（相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路（あるいは、光導波路）３ａと３ｂ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。

この光導波路３の上面にＳｉＯ_２バッファ層２が形成されている。一般に、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のＳｉ導電層５をこのＳｉＯ_２バッファ層２の上面に形成している。

そしてＳｉ導電層５の上に進行波電極４を形成している。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。なお、通常、進行波電極４はＡｕにより形成されている。図８に示すように、進行波電極４は基板端に向かう入力用フィードスルー部および出力用フィードスルー部を有している。

６はｚ−カットＬＮ基板１の裏面全体を金属台座７に強固に固定するための銀ペーストなどの導電性接着層である。

変調用の高周波（ＲＦ）電気信号を入力用フィードスルー部を介して中心導体４ａと接地導体４ｂに供給すると、中心導体４ａと接地導体４ｂの間に電界が印加される。ｚ−カットＬＮ基板１は電気光学効果を有するので、この電界により屈折率変化を生じ、２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂ（あるいは、光導波路３ａ、３ｂという）を伝搬する光の位相にずれが発生する。このずれがπになった場合、光導波路３のマッハツェンダ光導波路としての合波部において高次モードを励振し、その結果光はＯＦＦ状態になる。このようにして、ＬＮ光変調器を動作させるために選んだＤＣ電圧をバイアス電圧と呼んでいる。

図９（ａ）からわかるように、図７に示した特許文献１の光変調器の特徴としては、１）中心導体４ａの幅を光導波路３ａ、３ｂの幅とほぼ同じ６μｍ〜１２μｍ程度としている、２）中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップを例えば１５μｍと広くしている、さらに３）光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を構成する金属による吸収を抑えるためにのみ使用されてきたＳｉＯ_２バッファ層２の比誘電率が４〜６と比較的低いことを利用して、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤを４００ｎｍ〜１．５μｍ程度と厚くする、ことにより、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを低減して、光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけるとともに、特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけている。

また、この第１の従来技術では、特許文献２に開示された進行波電極４の厚みを場合によっては約３０μｍと厚くする構成とすることにより、マイクロ波等価屈折率ｎ_ｍをよりいっそう低減して、光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけている。このように厚い進行波電極４は例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓ、あるいは４０Ｇｂｉｔ／ｓのような高速光変調には必須となる。この第１の従来技術は５０Ω系の特性インピーダンスを有するＬＮ光変調器としてブレークスルーとなり、広く使用されている。

図９（ａ）においてＬａは光導波路３ａの中心とｚ−カットＬＮ基板１の側壁５０との距離であり、Ｌｂは光導波路３ｂの中心とｚ−カットＬＮ基板１の側壁５１との距離である。一般に、図７の斜視図から推測されるようにＬａ＜＜Ｌｂ、つまり光導波路３ｂに比べて光導波路３ａはｚ−カットＬＮ基板１の側壁（光導波路３ａの場合は５０）に近くなっている。

ここで注意すべきは例えばステンレスからなる台座７とｚ−カットＬＮ基板１の熱膨張係数が各々１．７４ｘ１０^−５及び１．５３ｘ１０^−５と大きく異なっていることである。

従ってＬＮ光変調器の環境温度が変化すると、台座７とｚ−カットＬＮ基板１の幅が互いに異なった大きさで熱膨張、あるいは熱収縮する。そしてＬａ＜＜Ｌｂであるため（つまり、光導波路３ａはｚ−カットＬＮ基板１の側壁５０に近いため）、図９（ｂ）に示すように光導波路３ａと３ｂに異なる大きさの応力が加わり、それらの間にΔＦ_{３ａ−３ｂ}の大きさの応力差が発生する。２本の光導波路３ａと３ｂに異なる大きさの応力が加わると、応力複屈折のために２本の光導波路３ａと３ｂとの間に新たに位相差が生じる。

これを打ち消すにはＤＣバイアス電圧を変える必要があり、これを温度ドリフトによるバイアス電圧シフト（あるいは簡単に温度ドリフト）と呼んでいる。室温（２５℃）を基準として、ＬＮ変調器の環境温度を−５℃から＋７０℃まで変えた時のバイアス電圧シフトの様子を図１０に示す。図１０からわかるように環境温度が変わると極めて大きなバイアス電圧シフトが生じている。なお、このＬＮ光変調器のバイアス電圧シフトはこの温度範囲で７Ｖもの大きさであった。

特開平２−５１１２３号公報 特開平１−９１１１１号公報

以上のように、従来技術ではマッハツェンダを構成する２本の光導波路のうち、片方の光導波路がＬＮ基板の側壁に近いために、環境温度が変化した場合にマッハツェンダを構成する２本の光導波路に異なる大きさの応力が加わり、その結果生じる応力複屈折率を打ち消すために温度ドリフトが生じていた。そしてこの温度ドリフトを安価に効率良く抑圧できる光変調器構造の開発が急務となっていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光変調特性が高性能であるとともに、安定性とコストについて改善された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に記載の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、前記基板に形成された２本の光導波路と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記基板を保持する台座とを具備する光変調器において、前記基板の裏面全面に導電性膜を具備し、該導電性膜を介して前記基板が接着層により前記台座に固定されて構成され、前記接着層は、前記２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記２本の光導波路から遠い第１基板側壁側に配置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、前記接着層が導電性を有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２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記２本の光導波路のうち前記第１基板側壁に近い方を第１光導波路とし、もう１本の方を第２光導波路とするとき、前記接着層が、前記第１光導波路の下方から前記２本の光導波路に近い側の第２基板側壁までの領域を除く位置に配置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１または２に記載の光変調器において、前記２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記２本の光導波路のうち前記第１基板側壁に近い方を第１光導波路とし、もう１本の方を第２光導波路とするとき、前記接着層が、前記第２光導波路の下方から前記２本の光導波路に近い側の第２基板側壁までの領域を除く位置に配置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３または４に記載の光変調器において、前記接着層より耐剪断特性が低い第２接着層をさらに備え、当該第２接着層は、前記２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記第２基板側壁側に配置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６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、前記台座に、前記接着層を溜まらせて所望位置に配置するための溝部が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７に記載の光変調器は、請求項５または６に記載の光変調器において、前記台座に、前記第２接着剤を溜まらせて所望位置に配置するための別の溝部がさら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８に記載の光変調器は、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光変調器において、前記２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記接地導体は、前記中心導体を中心に、前記第１基板側壁の近傍に配置された第１接地導体と、前記第２基板側壁の近傍に配置された第２接地導体とで構成され、前記第２接地導体は、前記中心導体に相対向する部位が所定幅で所定厚さを有して形成されるとともに、当該相対向する部位から前記第２基板側壁に向かう部位が当該所定厚さよりも薄く形成されていることを特徴としている。

本発明に係る光変調器では、ＬＮ光変調器の環境温度が変化した際に、台座とｚ−カットＬＮ基板の熱膨張係数の差に起因して発生する２本の光導波間における応力複屈折率の差を極力小さくすることができるので、温度ドリフト特性を著しく改善した信頼性の高いＬＮ光変調器を実現することが可能となる。

（ａ）本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の断面図、（ｂ）当該断面における応力分布図 本発明の第１の実施形態の効果を説明する図 本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の断面図 本発明の第２の実施形態に係わる光変調器の断面図 本発明の第３の実施形態に係わる光変調器の断面図 本発明の第４の実施形態に係わる光変調器の断面図 第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図 第１の従来技術の光変調器についての上面図 （ａ）図７のＡ−Ａ´における断面図、（ｂ）当該断面における応力分布図 第１の従来技術についての温度ドリフト特性を説明する図

以下、本発明の実施形態について説明するが、図７から図９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（ａ）に本発明の第１の実施形態についてその横断面図を示す。本断面図は、図９（ａ）に示した断面図と同位置における断面を示す。ここで、８は導電性膜であり、Ｓｉ導電層、金属、銀ペースト、あるいはその他の電気伝導性を有する材料からなる。９は導電性膜８と台座７を接合する接着層であるが、導電性膜８の電位を台座７の電位と同じにするためには銀ペーストのような導電性接着剤が好適である。この導電性を有する接着層を介して導電性膜８（即ち、ｚ−カットＬＮ基板１の裏面）と通常アースとなっている台座７とを同電位としている。接着層９は断面における基板側壁５１側だけに設けられ、接着層９が設けられていない導電性膜８の下方には空隙６０が形成されている。

１０は焦電効果により発生する電界である。前述のように、本発明ではｚ−カットＬＮ基板１の裏面全体に導電性膜８を形成しているので、空隙６０があるにも係わらず、焦電効果により発生する電界１０はｚ−カットＬＮ基板１の中で一定とすることができている。

ここで最も重要なことは、ｚ−カットＬＮ基板１はその横断面方向において裏面の一部のみで台座７に固定されていることである。従って、ｚ−カットＬＮ基板１と台座７の熱膨張係数の違いによりｚ−カットＬＮ基板１と台座７の熱膨張（あるいは熱収縮）の大きさが互いに異なっても、図１（ｂ）に示すように光導波路３ａと３ｂへ加わる応力の差ΔＧ_{３ａ−３ｂ}は従来技術と比較して格段に小さい。

室温（２５℃）を基準として、ＬＮ変調器の環境温度を−５℃から＋７０℃まで変えた時における、本実施形態の光変調器におけるバイアス電圧シフトの様子を図２に示す。また、比較のため図２には図１０に示した従来技術の特性も合わせて示す。図２からわかるように、本実施形態のＬＮ光変調器のバイアスシフト電圧は１Ｖ以下であり、温度ドリフトを効果的に抑圧することができた。

また、本実施形態はマッハツェンダ光導波路を構成する光導波路３ａとｚ−カットＬＮ基板の側壁（図１における５０）との距離を小さくすることができる。従来は応力緩和のために、図９における光導波路３ａと基板側壁５０との距離Ｌａを所定長さ設ける必要があったが、それが必要なくなったからである（なお、接地導体４ｃ側にはフィードスルー部が設けられているので、光導波路３ｂと基板側壁５１との距離Ｌｂを小さくするには制限がある）。これを換言すれば、基板の幅を小さくできるということであり、一枚のウェーハから多くの変調器チップを製作できることを意味しており、コスト低減に有用である。

本実施形態を実現するには、ｚ−カットＬＮ基板１の側壁（図１における５０）に最も近い光導波路（３ａ）の下方が台座７に固定されていないことが好ましく、好適にはマッハツェンダ光導波路を構成する２本の光導波路（３ａ、３ｂ）の両方の下方が台座７に固定されていなければ非常に好適である。

また、ＬＮ基板１の長手方向（光導波路の光導波方向）における接着層９の接着部分は、長手方向全面でもよいし、好適にはＬＮ基板１を保持できるだけの所定長さで接着するようにすればよい。

図１に示した態様では空隙６０を有した片持ち状の模式的な図としたが、実際には図３に示すように基板側壁５０側の端が金属台座７に接し、温度変化に応じてスライドするように構成される。なお、この図３自体も模式的な図であり、実際には本図ほどＬＮ基板１が傾くことはない。この構成は第２の実施形態でも同様である。

（第２の実施形態）
図４に本発明における第２の実施形態の横断面図を示す。本実施形態では、台座７に導電接着剤である接着層９の溜り部１１（溝部１１）を形成しており、接着剤が想定以上に基板側壁５０側にはみ出るのを防止し、ｚ−カットＬＮ基板１（正確には、導電性膜８）と台座７の接着位置の制御性を高めている。

（第３の実施形態）
図５に本発明における第３の実施形態の横断面図を示す。本実施形態では、ｚ−カットＬＮ基板１（正確には、導電性膜８）と台座７を接着するために、第１および第２の実施形態と同様の接着層９に加え、接着層９よりも柔らかい（換言すれば耐剪断特性が低い）別の接着剤１２（接着層１２）を用いている。接着層１２は、熱膨張時（あるいは熱収縮時）の変形に追従できる剪断特性を持った接着剤である。

本構成により、ｚ−カットＬＮ基板１（正確には、導電性膜８）を台座７に第１の実施形態よりもより強固に固定している。なお、導電接着剤である接着層９の溜り部１１の他に、別の接着剤１２のための別の溜り部１３（別の溝部１３）を形成しており、第２の実施形態と同様にｚ−カットＬＮ基板１と台座７の接着の制御性を高めている。なお、本実施形態においては硬さの異なる２種の接着剤を使用するとしたが、３種類以上用いても良いことは言うまでもない。

（第４の実施形態）
本発明における第４の実施形態の横断面図を図６に示す。本実施形態の一例として、図５に示した第３の実施形態を例に説明する。本実施形態では、第１〜３の実施形態のように接地導体４ｂの厚みを一定と構成せず、ｚ−カットＬＮ基板１の側壁５０側の厚みを薄く構成している（図６においては４ｂ´としている）。具体的には、接地導体４ｂ´は光導波路３ａの上方のみに従来と同等の厚みを残して他の部位を薄くして形成されている。

接地導体４ｂ（例えばＡｕ）とＬＮ基板１とは熱膨張係数が異なっており、温度変化時に発生する熱膨張（および熱収縮）により（台座７の場合と同様に）応力が発生している。これの対策として、接地導体４ｂ´のように構成することにより、接地電極４ｂ´の熱膨張（および熱収縮）影響をほぼ無視できるようになる。

なお、接地導体４ｃを接地導体４ｂ´のように一部を薄くして形成してもよい。具体的には、中心導体４ａを中心とした接地導体４ｂ´の対称位置に、接地導体４ｂ´と略同等の形で対称形で形成すればよい（接地導体４ｃ´）。このように構成することにより、材料としてＡｕを使用していた場合には高価なＡｕの使用量を減らすことができ、コスト低減の効果がある。

なお、この接地導体４ｂ´および４ｃ´の構成は、本発明の全ての実施形態に適用可能である
（各実施形態）
分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもなく、本発明の思想は３本以上の光導波路にも適用可能である。また光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてＡｌ_２Ｏ_３等のＳｉＯ_２以外の各種材料も適用できる。

なお、以上の説明においてはｚ−カットＬＮ基板の表面が平坦なプレーナ構造について説明したが、本発明は光導波路近傍のｚ−カットＬＮ基板の近傍を掘り込むリッジ構造についても適用できることは言うまでもない。また、分極反転を用いた構造にも有用である。さらに、複数のマッハツェンダ光導波路を有するＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫなどのネスト構造にも適用可能であることは言うまでもない。

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など異なる材料の基板でも良い。

１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ_２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相互作用光導波路（第２光導波路）
３ｂ：マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路（第１光導波路）
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｂ´、４ｃ、４ｃ´：接地導体
５：Ｓｉ導電層
６：導電性接着層
７：台座
８：導電性膜
９：接着層（接着剤）
１２：別の接着層（別の接着剤、第２接着層）
１１、：溜り部（溝部）
１３：別の溜り部（別の溝部）
１０：焦電効果による電界
５０：ＬＮ基板１の側壁（第２基板側壁）
５１：ＬＮ基板１の側壁（第１基板側壁）
６０：空隙部

Claims (8)

1. 電気光学効果を有する基板と、前記基板に形成された２本の光導波路と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記基板を保持する台座とを具備する光変調器において、
   前記基板の裏面全面に導電性膜を具備し、該導電性膜を介して前記基板が接着層により前記台座に固定されて構成され、
   前記接着層は、前記２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記２本の光導波路から遠い第１基板側壁側に配置されていることを特徴とする光変調器。
2. 前記接着層が導電性を有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２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記２本の光導波路のうち前記第１基板側壁に近い方を第１光導波路とし、もう１本の方を第２光導波路とするとき、
   前記接着層が、前記第１光導波路の下方から前記２本の光導波路に近い側の第２基板側壁までの領域を除く位置に配置されてい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２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記２本の光導波路のうち前記第１基板側壁に近い方を第１光導波路とし、もう１本の方を第２光導波路とするとき、
   前記接着層が、前記第２光導波路の下方から前記２本の光導波路に近い側の第２基板側壁までの領域を除く位置に配置されてい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. 前記接着層より耐剪断特性が低い第２接着層をさらに備え、
   当該第２接着層は、前記２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記第２基板側壁側に配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光変調器。
6. 前記台座に、前記接着層を溜まらせて所望位置に配置するための溝部が形成されてい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。
7. 前記台座に、前記第２接着剤を溜まらせて所望位置に配置するための別の溝部がさらに形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の光変調器。
8. 前記２本の光導波路と交わる方向の断面において、前記接地導体は、前記中心導体を中心に、前記第１基板側壁の近傍に配置された第１接地導体と、前記第２基板側壁の近傍に配置された第２接地導体とで構成され、
   前記第２接地導体は、前記中心導体に相対向する部位が所定幅で所定厚さを有して形成されるとともに、当該相対向する部位から前記第２基板側壁に向かう部位が当該所定厚さよりも薄く形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光変調器。

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