JP2014071383A

JP2014071383A - 光変調器

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Publication number: JP2014071383A
Application number: JP2012218762A
Authority: JP
Inventors: Tokuichi Miyazaki; 徳一宮崎; Motohiro Takemura; 基弘竹村; Yoichi Hosokawa; 洋一細川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-21
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN103713402A; US20140093202A1; US8909001B2; CN103713402B; JP5983256B2

Abstract

【課題】
基板の厚さが２０μｍ以下の薄板を使用した光変調器において、光導波路間隔が広がり制御電極の幅を大きくする必要がある場合であっても、光変調器のバイアス点のドリフト特性などの変調特性の劣化を抑制することが可能な光変調器を提供すること。
【解決手段】
電気光学効果を有する厚さ２０μｍ以下の基板４と、該基板４を保持する補強基板６と、該基板と該補強基板との間に配置された樹脂層５を備え、該基板４には、光導波路１，２と、該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極３，３１とが形成された光変調器において、該光導波路は、少なくとも２本の離間した光導波路１を備え、前記２本の光導波路の間に配置される制御電極３１が、各光導波路に沿って配置される２本の電極３１と、前記２本の電極を同じ電位に導通する細線８から構成されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、電気光学効果を有する厚さ２０μｍ以下の基板と、該基板を保持する補強基板と、該基板と該補強基板との間に配置された樹脂層を備えた光変調器に関する。

光通信や光計測の技術分野では、光変調に際して、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学結晶が用い、当該結晶基板にマッハツェンダー（ＭＺ）構造の光導波路を形成した進行波型変調器が広く用いられている。

光変調器を構成する基板を２０μｍ程度に薄板化した場合には、光導波路を形成した基板と制御電極との間にＳｉＯ_２などによるバッファ層を形成することなしに、光導波路を伝搬する光波と、制御電極を伝搬する変調信号との速度整合をとることが可能となる。これにより、駆動電圧の低減した光変調器を得ることができる。

他方、種々の変調方式に対応するため複数のＭＺ構造を集積した光変調器も使用されている。例えば、特許文献１又は２のように、主マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路に、副マッハツェンダー型光導波路を組み込んだ入れ子型の光導波路、所謂、ネスト型光導波路を有する光変調器も使用されている。ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器などの高速動作が可能な光変調器として、ネスト型の光変調器は、特に注目されている。

このようなＭＺ構造を集積化したネスト型の光変調器では、特に、主マッハツェンダー構造における２本の分岐導波路の間隔が１００〜５００μｍ程度に広くなる。図１に示すように、主マッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路１に副マッハツェンダー型光導波路２が形成されている。

図１（ａ）の符号３，３０は制御電極であり、分岐導波路１に所定の電界を印加して、分岐導波路１を伝搬する光波の位相を制御する。制御電極３，３０は、各分岐導波路を伝搬する光波を所定の位相差に保持するため、直流（ＤＣ）バイアス電圧が印加されている。図１（ｂ）は、図１（ａ）の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図である。図１では、基板４にＸカット型基板を使用しているが、Ｚカット基板を使用した場合でも、２本の分岐導波路１の間に共通に跨る制御電極３０が形成される場合がある。

このように、分岐導波路間に跨るように形成される制御電極は、分岐導波路の間隔と同様に数百μｍの幅を有する。しかしながら、図１（ｂ）に示すように、分岐導波路１の間に配置される制御電極の幅が大きくなると、基板４の厚みと比較して中心の制御電極幅が広いため、制御電極間に生じる電界分布７が広くなり、基板４の外側まで電界が分布することとなる。

図１（ｂ）のように、基板４が薄くなる場合には、基板４を補強するため、接着剤などの樹脂層５を介して、補強基板６が接合されている。電界分布７は、この樹脂層５の範囲まで広がることとなる。高周波の変調信号が制御電極に印加される場合には、変調信号が形成する電界分布は、電極近傍に限定され、図１（ｂ）のように樹脂層５まで入り込むことはないが、ＤＣバイアス電圧のような直流電圧を制御電極に印加する場合には、図１（ｂ）のように、薄い基板４の外側まで電界が分布することとなる。

樹脂層に電界が分布した場合には、樹脂内の可動イオンや樹脂層の変質・劣化などによる特性変化により、樹脂内に広く電界が分布しない場合と比較して、光変調器の変調曲線がシフトし易くなる、所謂、ドリフト現象が顕著となる。変調曲線のバイアス点を制御するため、印加するＤＣバイアス電圧を増加すると、樹脂層５内により一層の電界が入り込む結果となり、光変調器の特性劣化がより加速される。

他方、分岐導波路１の形状を変更し、分岐導波間を狭くした後に制御電極３０を構成することもできるが、この場合では導波路間隔を変更する変換部が必要となり、素子長が増大する結果となる。

国際公開ＷＯ２０１１／００４６１５号公報特開２０１１−０３４０５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解決し、基板の厚さが２０μｍ以下の薄板を使用した光変調器において、光導波路間隔が広がり制御電極の幅を大きくする必要がある場合であっても、光変調器のバイアス点のドリフト特性などの変調特性の劣化を抑制することが可能な光変調器を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の光変調器は以下のような技術的特徴を有する。
（１）電気光学効果を有する厚さ２０μｍ以下の基板と、該基板を保持する補強基板と、該基板と該補強基板との間に配置された樹脂層を備え、該基板には、光導波路と、該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極とが形成された光変調器において、該光導波路は、少なくとも２本の離間した光導波路を備え、前記２本の光導波路の間に配置される制御電極が、各光導波路に沿って配置される２本の電極と、前記２本の電極を同じ電位に導通する細線から構成されることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光変調器において、前記２本の電極の各々の幅は、該基板の厚さの１０倍以下であることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）のいずれかに記載の光変調器において、前記２本の光導波路の間に配置される該制御電極が、ＤＣバイアス電圧を印加するための電極であることを特徴とする。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光変調器において、該基板に形成された該光導波路は、ネスト型光導波路であり、前記２本の光導波路は、該ネスト型光導波路を構成する主マッハツェンダー型光導波路の２本の分岐導波路であることを特徴とする。

本発明のように、電気光学効果を有する厚さ２０μｍ以下の基板と、該基板を保持する補強基板と、該基板と該補強基板との間に配置された樹脂層を備え、該基板には、光導波路と、該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極とが形成された光変調器において、該光導波路は、少なくとも２本の離間した光導波路を備え、前記２本の光導波路の間に配置される制御電極が、各光導波路に沿って配置される２本の電極と、前記２本の電極を同じ電位に導通する細線から構成されるため、光導波路に沿った制御電極の幅を狭くすることが可能となる。このため、制御電極が形成する電界分布が基板内に留まることができ、樹脂層の変質・劣化が抑制され、バイアス点のドリフト特性などの変調特性の劣化を抑制することが可能となる。

従来の光変調器の概略を示す図である。本発明の光変調器の概略を示す図である。本発明の光変調器の他の実施例を説明する図である。制御電極の幅を変化した場合の等電位線の分布状況を説明する図である。

以下、本発明について好適例を用いて詳細に説明する。
図２に示すように、本発明の光変調器は、電気光学効果を有する厚さ２０μｍ以下の基板４と、該基板４を保持する補強基板６と、該基板と該補強基板との間に配置された樹脂層５を備え、該基板４には、光導波路１，２と、該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極３，３１とが形成された光変調器において、該光導波路は、少なくとも２本の離間した光導波路１を備え、前記２本の光導波路の間に配置される制御電極３１が、各光導波路に沿って配置される２本の電極３１と、前記２本の電極を同じ電位に導通する細線８から構成されることを特徴とする。

本発明の光変調器に使用される電気光学効果を有する基板としては、種々の公知の材料を用いることが可能であり、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）等の単結晶材料やこれらの固溶体結晶材料を用いることができる。

基板に形成する光導波路は、例えば、基板上にチタン等を堆積させた後、熱拡散させて形成することが可能である。また、基板に凹凸を形成し、リッジ型又はリブ型の光導波路を形成することも可能である。光導波路に近接して電極が形成されるが、例えばＺカットの基板を用いて、光導波路の直上に電極を形成する場合などは、光導波路を伝播する光波の電極層への吸収を抑制するため、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などからなるバッファ層を、光導波路上又は基板上に形成することが可能である。

制御電極は、金などの導電性金属から形成されている。そして通常は信号電極と接地電極とから構成される。図２（ａ）の副マッハツェンダー型光導波路２には、高周波変調を行うための制御電極（不図示）が配置され、主マッハツェンダー型光導波路１に沿っては、位相調整用の制御電極（３、３１）などが配置される。

基板の厚さが２０μｍ以下である場合には、基板の機械的強度が低下するため、接着剤などの樹脂層５を介して補強基板６が接合されている。補強基板の材料としては、熱膨張係数を基板を合わせるため、基板と同質の材料を使用することも可能である。

本発明の光変調器は、図１に示すように、光導波路１の間隔が大きくなり、その光導波路間に配置される制御電極の幅も大きくなる場合には、図２に示すように、光導波路間に配置される制御電極を分割する。そして、一つの制御電極３１の幅を狭くすることで、制御電極が形成する電界７が、樹脂層５まで入り込むことを抑制している。

このように、電界分布の広がりを抑制することで、樹脂層５の変質・劣化が抑制され、光変調器のドリフト特性も改善することができる。また光導波路１にかかる電界強度は導波路１の両側の電極（３，３１）の間隔で支配され、光変調器の駆動電圧に影響を与える。しかしながら、本発明の構造では、該当部の間隔については変化させずに実現できるため、従来の構造から動作電圧が増加することも防ぐことができる。

２本の光導波路１の間隔が、基板４の厚さに比較して広くなる場合には、図２のような制御電極の構成が特に必要になる。ただし、その際の各制御電極幅は、基板の厚さの１０倍以下とすることが好ましい。

図４は、制御電極の幅を基板の厚みの５倍，１０倍，１２倍，１５倍で変化させた場合の制御電極が作る等電位線の分布を示した図である。基板の厚みは９μｍであり、制御電極を構成する接地電極と信号電極には、８Ｖの電圧を印加している。したがって、図中の隣接する等電位線間の電位差は０．８Ｖとなる。各図面には、上から、制御電極、基板、樹脂層、補強基板の順番で配置構成されている。

図４を見ると、制御電極の幅が１２倍以上になると、全ての樹脂層に渡って等電位線が４本以上存在し、常時、強い電界が働いていることが容易に理解できる。このことからも、制御電極の幅は、１０倍以下が好ましいと言える。

分割された制御電極３１には、同じ電位に維持するための細線８が接続されている。細線は、それが形成する電界が樹脂層に入り込まないような形状であれば、任意の形状が採用でき、例えば、図３に示すような制御電極と同じ形成プロセスで作成される導通線３２であっても良い。

実際に、ＬＮ基板を用いて基板厚を１０μｍ、導波路間隔を２００μｍのマッハツェンダー（ＭＺ）構造を構成した。導波路を形成した基板は、当該基板よりも誘電率の低い光学樹脂を用いて補強用基板に接着した。導波路の両側の電極幅は５０μｍとした。本構造にバイアスＤＣを印加し、温度加速を行い２４時間のドリフト量を測定したところ、導波路間隔とほぼ等しい幅の電極を用いた従来例と比較し、ドリフト量が低減が確認できた。

本発明の光変調器は、特に、２本の光導波路の間に配置される制御電極は、ＤＣバイアス電圧を印加するための電極の場合に、優れた効果を発揮する。また、図２の電極３，３１は、一方を電位を与える信号電極とし他方を接地電極としても、またそれぞれの電極に異なる電位のＤＣ電源を接続するＰｕｓｈ−Ｐｕｌｌ動作型の電極構成としてもよい。また導波路基板の上下に、電極や接着層による光の損失を低減するためにバッファ層が形成されていてもよい。

また、本発明の光変調器は、図２（ａ）のように、基板に形成された光導波路をネスト型光導波路とし、ネスト型光導波路を構成する主マッハツェンダー型光導波路の２本の分岐導波路１の間の制御電極に、本発明の構成を採用することができる。これにより、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器のような光変調器にも本発明を適用することが可能となる。

さらに、図３のようにＹ分岐導波路の曲げの一部の領域においても、導波路に沿って電極３，３１を構成することで、作用長を大きくとることができる。符号３２は、分割された制御電極を接続する細線である。

本発明によれば、基板の厚さが２０μｍ以下の薄板を使用した光変調器において、光導波路間隔が広がり制御電極の幅を大きくする必要がある場合であっても、光変調器のバイアス点のドリフト特性などの変調特性の劣化を抑制することが可能な光変調器を提供することが可能となる。

１分岐導波路
２副マッハツェンダー型光導波路
３，３０，３１制御電極
３２細線
４基板
５樹脂層
６補強基板
７電界分布
８細線

Claims

電気光学効果を有する厚さ２０μｍ以下の基板と、
該基板を保持する補強基板と、
該基板と該補強基板との間に配置された樹脂層を備え、
該基板には、光導波路と、該光導波路を伝播する光波を制御する制御電極とが形成された光変調器において、
該光導波路は、少なくとも２本の離間した光導波路を備え、
前記２本の光導波路の間に配置される制御電極が、各光導波路に沿って配置される２本の電極と、前記２本の電極を同じ電位に導通する細線から構成されることを特徴とする光変調器。
請求項１に記載の光変調器において、前記２本の電極の各々の幅は、該基板の厚さの１０倍以下であることを特徴とする光変調器。
請求項１又は２のいずれかに記載の光変調器において、前記２本の光導波路の間に配置される該制御電極が、ＤＣバイアス電圧を印加するための電極であることを特徴とする光変調器。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該基板に形成された該光導波路は、ネスト型光導波路であり、前記２本の光導波路は、該ネスト型光導波路を構成する主マッハツェンダー型光導波路の２本の分岐導波路であることを特徴とする光変調器。