JP2013130833A - 光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調特性が高性能であるとともに、温度ドリフト特性を改善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２本の光導波路と、基板の上方に形成されたバッファ層と、バッファ層の上方に形成された導電層と、導電層の上方に形成された中心導体と接地導体からなる進行波電極とを少なくとも具備する光変調器において、２本の光導波路と交わる方向の断面において、２本の光導波路に近い側の基板側壁に隣接して別体基板部が設けられており、別体基板部は、電気光学効果を有する別体の基板と、別体の基板の上方に形成された導電媒質でなる電極とで少なくとも構成され、別体の基板上の前記電極と当該電極に隣接する前記基板上の前記接地電極とが電気的に接続され、焦電効果に起因する温度ドリフトを抑制する。
【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。

（従来技術）
図５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６はその上面図、また図７は図５のＡ−Ａ´線における断面図である。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同様と言うことができるが、ここでは説明の簡単のために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。

オプティカルグレード基板でなる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。

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７からわかるように、図５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、図７に示した第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と厚くした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７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５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）に極めて近くなっている。従って、焦電効果により発生する電界１０は基板側壁５０と５１に近づくに従って不均一になる。特に、基板側壁５０の近傍に光導波路３ａがあるため、環境温度の変化に伴い焦電効果により発生する電界１０の変化は、光導波路３ａを伝搬する光の等価屈折を変化させる。その結果、図８に示すようにこの従来技術では大きな温度ドリフトが発生していた。

なお、特許文献１，２に示されているＬＮ基板の断面図においては、光導波路３ａから基板側壁５０までの距離Ｌａが図７に示したものよりも遠くした態様となっている。そして、上記した問題が発生しないように、距離Ｌａをこの特許文献１，２のように遠くして構成させることも考えられる。しかし実際にＬＮ光変調器基板を製造する際には、コストの面から１枚の（オプティカルグレード相当でなる）ウエハから極力多くのＬＮ光変調器基板を製造することが求められるため、図７に示したように距離Ｌａを極力近くして製造するのが一般的である。特にこのことは、複数のマッハツェンダ光導波路をネスト型で使用するＤＱＰＳＫやＤＰ−ＱＰＳＫなどの光変調器において、顕著となる。

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焦電効果による電界が印加され、その結果大きな温度ドリフトが生じていた。そのため、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、前記基板の上方に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上方に形成された導電層と、前記導電層の上方に形成された中心導体と接地導体からなる進行波電極とを少なくとも具備する光変調器において、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本の光導波路に近い側の基板側壁に隣接して別体基板部が設けられており、前記別体基板部は、電気光学効果を有する別体の基板と、前記別体の基板の上方に形成された導電媒質でなる電極とで少なくとも構成され、前記別体の基板上の前記電極と当該電極に隣接する前記基板上の前記接地電極とが電気的に接続され、焦電効果に起因する温度ドリフトを抑制することを特徴としている。

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、記別体の基板上に形成した電極が、当該電極に隣接する前記基板上の前記接地電極の厚みよりも薄いことを特徴としている。

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、前記別体の基板と前記基板とが密着して配置されていることを特徴としている。

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、前記別体の基板と前記基板とが、間に前記基板の厚み以内の大きさのギャップを有して配置されていることを特徴としている。

本発明の請求項５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、前記別体の基板と前記基板とが、相対向する基板側壁側で接着剤により固定されていることを特徴としている。

本発明の請求項６に記載の光変調器は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器において、前記別体基板部が、前記別体の基板と前記電極との間にバッファ層を、または前記別体の基板と前記電極との間に下から順にバッファ層と導電層とを具備することを特徴としている。

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、前記基板がオプティカルグレードＬＮ基板であるとともに、前記別体の基板がＳＡＷグレードＬＮ基板であることを特徴としている。

上記のように構成することにより、ＬＮ光変調器の環境温度が変化した際に、焦電効果に起因する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。

本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の断面図と焦電効果による電界の分布図 本発明の原理を説明する図 本発明の効果を説明する図 本発明の第２の実施形態に係わる光変調器の断面図 従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図 従来技術の光変調器についての上面図 図５のＡ−Ａ´における断面図と焦電効果による電界の分布図 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５から図７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の実施形態についてその横断面図を示す。ここで、Ｉは幅Ｗでなる別体基板部を示す領域であって、別体のｚ−カットＬＮ基板１´、その上に形成されたＳｉＯ_２バッファ層２´、Ｓｉ導電層５´および導電媒質でなる電極４０から構成されている６´は導電性接着剤であり、別体のｚ−カットＬＮ基板１´と台座７とを接着固定している。１３は接地導体４ｂと電極４０を電気的に接続する金リボンである。なお、電極４０は接地導体４ｂと略同厚さで構成され、接地導体の一部の機能も有している。

図７と図１とを比較するとわかるように、図１の本発明の実施形態では、基板側壁５０にｚ−カットＬＮ基板１´を密接、もしくは近接させて構成している。これにより、電界１１を光導波路３ａと光導波路３ｂとにおいて均一化できている。なお、別体のｚ−カットＬＮ基板１´の基板側壁５２の近くでは焦電効果による電界１２は均一となっていないが、この領域には光導波路は存在しないので問題とはならない。

図２に、別体のｚ−カットＬＮ基板１´の幅Ｗを変数とした場合のバイアス電圧の変化量を示す。図２からわかるように、ｚ−カットＬＮ基板１´の幅Ｗが大きくなると、基板側壁５２近傍における焦電効果による電界１２の不均一性の影響が光導波路３ａに与える影響が小さくなるので、環境温度の変化に対するバイアス電圧の変化量が小さくなる。

図３は、本発明を適用した実施形態についての温度ドリフトの様子を示している。なお、比較のために従来技術の特性も破線で示している。この図３から、本発明を適用することにより温度ドリフト特性が大幅に改善されていることがわかる。

なお、ＬＮ基板１と１´との間の向かい合う基板側壁間を、例えば絶縁性接着剤を用いて固定してもよい。また当該基板側壁間にギャップを設けた近接配置としてもよく、このギャップはＬＮ基板１の厚み以下が望ましく、好適にはＬＮ基板１の厚みの半分以下とすればよい。

また、好適な態様としては、ｚ−カットＬＮ基板１をオプティカルグレードＬＮ基板で制作し、別体のＬＮ基板１´をＳＡＷグレードＬＮ基板で制作するようにすればよい。この場合には、コストの高いオプティカルグレードの半導体ウエハ１枚から作成することができるＬＮ基板１の数量を多くすることができ、コスト面で優れている。

（第２の実施形態）
図４に本発明の第２の実施形態についてその横断面図を示す。ここで、ＩＩは第１の実施形態と同様に幅Ｗでなる別体基板部を示す領域である。第１の実施形態とは、Ｓｉ導電層５´上の電極の厚みのみが異なっている。本実施形態では電極４１の厚みを第１の実施形態の電極４０よりも薄く構成しており、これにより貴金属であるＡｕの使用量を減らすことができるとともに、製作のコストを低減することも可能としている。

（各実施形態）
以上の説明においては、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、本発明の技術思想は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説明を簡単にするために、ｚ−カットＬＮ基板の表面が平坦なプレーナ構造を用いて説明してきたが、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んだリッジ構造であった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おいても有効である。この場合には、別体のｚ−カットＬＮ基板１´もｚ−カットＬＮ基板１と同様にその一部を分極反転して構成しておけば良い。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。

さらに、明細書中で説明した別体基板ＩおよびＩＩとｚ−カットＬＮ基板１とは密着して構成していることが望ましいが、若干ならばそれらの間にギャップが空いていても良いし、互いに接着剤で固定しても良いことは言うまでもない。

別体基板上にはＳｉＯ_２バッファ層とＳｉ導電層を形成するとして説明したが、ＳｉＯ_２バッファ層とＳｉ導電層のどちらか一方を省略しても良いし、別体のＬＮ基板の上に直接Ｔｉ、Ａｕや銀ペーストなどの導電媒質（あるいは導体）を電極として形成しても良い。なお、一般に銀ペーストを用いると別体基板の電極（銀ペースト）の厚みは接地導体の厚みよりも厚くなる。

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（オプティカルグレードＬＮ基板）
１´：ｚ−カットＬＮ基板（ＳＡＷグレードＬＮ基板）
２、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、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
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｂ´、４ｃ、４ｃ´：接地導体
５、５´：Ｓｉ導電層
６：導電性接着層
７：台座
８：導電性膜
９：接着層
１０、１１、１２：焦電効果による電界
１３：金リボン
４０、４１：別体の基板上の電極
５０、５１、５２：基板側壁
Ｉ、ＩＩ：別体基板部

Claims (7)

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、前記基板の上方に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の上方に形成された導電層と、前記導電層の上方に形成された中心導体と接地導体からなる進行波電極とを少なくとも具備する光変調器において、
   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本の光導波路に近い側の基板側壁に隣接して別体基板部が設けられており、
   前記別体基板部は、電気光学効果を有する別体の基板と、前記別体の基板の上方に形成された導電媒質でなる電極とで少なくとも構成され、
   前記別体の基板上の前記電極と当該電極に隣接する前記基板上の前記接地電極とが電気的に接続され、焦電効果に起因する温度ドリフトを抑制することを特徴とする光変調器。
2. 前記別体の基板上に形成した電極が、当該電極に隣接する前記基板上の前記接地電極の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記別体の基板と前記基板とが密着して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. 前記別体の基板と前記基板とが、間に前記基板の厚み以内の大きさのギャップを有して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. 前記別体の基板と前記基板とが、相対向する基板側壁側で接着剤により固定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。
6. 前記別体基板部が、前記別体の基板と前記電極との間にバッファ層を、または前記別体の基板と前記電極との間に下から順にバッファ層と導電層とを具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光変調器。
7. 前記基板がオプティカルグレードＬＮ基板であるとともに、前記別体の基板がＳＡＷグレードＬＮ基板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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