JP2014081406A - 光変調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】屈曲したスロット導波路を含んで構成される光変調装置において、変調効率を改善する。
【解決手段】光変調装置１０を、所定の屈折率より高い高屈折率媒質で形成され互いに平行に配置された導波路対１２２、１２４、および導波路対１２２、１２４の間に配置され、電気光学効果を有する所定の屈折率より低い低屈折率媒質が充填されたスロット１２０を具備する導波路構造を有するとともに、導波路構造の少なくとも一部分に、導波路対１２２、１２４を含む面に平行または略平行な面内において一方向に屈曲された屈曲部が形成され、かつ屈曲部における導波路対１２２、１２４のうち屈曲方向の側の導波路１２４の幅が屈曲方向とは反対方向の側の導波路１２２の幅よりも広く形成されたリング導波路１２と、スロット１２０に対して、スロット１２０を伝搬する光と交差する方向に電界を印加する電界印加手段１８、２０と、を含むように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調装置に関し、特に、屈曲したスロット導波路を含んで構成される光変調装置に関する。

スロット導波路とは、複数の高屈折率媒質からなる導波路と、それら導波路に挟まれて設けられた、低屈折率媒質からなり伝播光の波長サイズより狭い数１０ないし数１００ｎｍの幅を有するスロットを具備する導波路である。スロット導波路では、ＴＥモードの光が選択的に低屈折率のスロット内に強く閉じ込められながら伝搬するので、光変調装置をはじめとする様々なデバイスへの応用が期待されている（非特許文献１）。

そのようなデバイスの一例として、図１２に示す、非特許文献２に開示されたリング共振器型の光変調装置９０がある。光変調装置９０は、リング共振器の波長選択性を利用した光スイッチである。リング共振器を構成するリング導波路には電気光学効果を有する材料が配されており、該材料に電界を印加することによりリング導波路を伝搬する光に対して位相変調を施される。位相変調により等価的な共振器長が変わるので、印加電界によってチューニング波長を可変とすることができる。

図１２（ａ）において、光変調装置９０は、基板９６上に配されたリング導波路９２、入出力導波路９４、導波路９５、正極側パッド電極９８、および負極側パッド電極９９を含んで構成されている。図１２（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である図１２（ｂ）に示すように、リング導波路９２が上記スロット導波路で構成されており、高屈折率媒質で形成された外側導波路９２２および内側導波路９２４の間に挟まれて、低屈折率媒質が充填されたスロット９２０が配置されている。そして、リング導波路９２を伝搬する光は、スロット９２０内に強く閉じ込められて伝搬する。外側導波路９２２および内側導波路９２４にはＰ型不純物が注入されており、正極側パッド電極９８および負極側パッド電極９９に電源（不図示）を接続すると、図１３に示すように、高屈折率媒質と低屈折率媒質との界面に対し垂直方向に電界が印加される。

スロット９２０に充填する低屈折率媒質には電気光学効果を有する材料が用いられており、正極側パッド電極９８および負極側パッド電極９９に電源を接続すると、該電気光学効果を有する低屈折率媒質に対して図１３の矢印方向の電界がかかり、その屈折率を変化させるのでリング導波路９２を伝搬する光に対して位相変調がなされる。この位相変調によって、チューニング波長を可変とすることができる。

Q.Xu, et. al., Optics Letters, Vol.29, No.14, p1626-1628, July 2004 M.Gould, et. al., Optics Express, Vol.19, No.5, p3952-3961, 2011

しかしながら、非特許文献２に開示されたリング共振器型光変調装置９０では、リング導波路９２の屈曲部における光分布の変化に対する配慮がなされていないので、電界が伝搬光に適切に印加されず変調が効率よくなされていないことが危惧される。
ここで、リング導波路のような屈曲した導波路中を伝搬する光の分布は導波路の外側（屈曲方向とは逆の方向。「屈曲方向」とは、図１２のリング導波路９２において、リング導波路９２上の１点からリングを構成する同心円の中心を臨む方向をいう。）に偏ることが知られている。このときのリング導波路９２と対比させた光分布の状態を図１３の太線で示す。同図に示すように、リング導波路９２の屈曲の影響で光分布のピークが外側導波路９２２の側に偏り、光分布におけるピークはスロット９２０から外れている。このような状態において、正極側パッド電極９８および負極側パッド電極９９に電源（不図示）を接続して低屈折率媒質に電界を印加しても、光の分布と電界の分布にずれが生じているので、適切な変調がなされず変調効率が低下し、そのため同じ変調効率を得るためには駆動電圧を大きくする必要があるという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、屈曲したスロット導波路を含んで構成される光変調装置において、変調効率を改善することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の光変調装置は、所定の屈折率より高い高屈折率媒質で形成され互いに平行に配置された導波路対、および前記導波路対の間に配置され、電気光学効果を有する前記所定の屈折率より低い低屈折率媒質が充填されたスロットを具備する導波路構造を有するとともに、前記導波路構造の少なくとも一部分に、前記導波路対を含む面に平行または略平行な面内において一方向に屈曲された屈曲部が形成され、かつ前記屈曲部における前記導波路対のうち屈曲方向の側の導波路の幅が屈曲方向とは反対方向の側の導波路の幅よりも広く形成されたスロット導波路と、前記スロットに対して、該スロットを伝搬する光と交差する方向に電界を印加する電界印加手段と、を含むものである。
ここで、「略平行」とは、光変調装置の製造誤差や、経時的変化、環境状態に応じた変形等を許容した範囲内で、平行であることをいう。
また、「屈曲方向」とは、屈曲させる対象から屈曲の中心を臨む方向、すなわち、たとえば図１２のリング導波路９２において、リング導波路９２上の１点からリングを構成する同心円の中心を臨む方向をいう。

また、上記目的を達成するために、請求項２に記載の光変調装置は、所定の屈折率より高い高屈折率媒質で形成され互いに平行に配置された導波路対、および前記導波路対の間に配置され、電気光学効果を有する前記所定の屈折率より低い低屈折率媒質が充填されたスロットを具備する導波路構造を有するとともに、前記導波路構造の少なくとも一部分に、前記導波路対を含む面に平行または略平行な面内において一方向に屈曲された屈曲部が形成され、かつ前記屈曲部における前記導波路対のうち屈曲方向の側の導波路の屈折率が屈曲方向とは反対方向の側の導波路の屈折率よりも大きくされたスロット導波路と、前記スロットに対して、該スロットを伝搬する光と交差する方向に電界を印加する電界印加手段と、を含むものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記低屈折率媒質が、電気光学効果を有するポリマであるものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記屈曲部における前記導波路対の一方の導波路および他方の導波路の少なくとも一部が導電体とされており、前記電界印加手段が、前記一方の導波路の前記導電体部分に接続された第１の電極、および前記他方の導波路の前記導電体部分に接続された第２の電極を含んで構成されるものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記スロット導波路を２つ有し、１つの入力端と２つの出力端を有するとともに、２つの前記スロット導波路の各々の一端が前記２つの出力端の各々に接続された分波器と、２つの入力端と１つの出力端を有するとともに、２つの前記スロット導波路の各々の他端が前記２つの入力端の各々に接続された合波器と、をさらに含み、前記電界印加手段は、２本の前記スロット導波路の各々のスロットに対して電界を印加するものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記スロット導波路の屈曲部が、各々共通の幅を有するとともに所定の方向に屈曲した複数の単位スロット導波路を、屈曲方向を変えて交互にかつ各々の単位スロット導波路のスロット同士が連続するように接続されているものである。

さらに、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の発明において、前記単位スロットが略半円形状であるものである。

本発明によれば、屈曲したスロット導波路を含んで構成される光変調装置において、変調効率が改善されるという効果を奏する。

第１の実施の形態に係る光変調装置の構成を示す平面図、および断面図である。 第１の実施の形態に係る光変調装置の構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係る光変調装置におけるスロット導波路と光分布との関係を示す模式図である。 第１の実施の形態に係るスロット導波路における導波路幅と電界分布との関係の計算結果を説明するための説明図である。 第１の実施の形態に係るスロット導波路における導波路幅と電界分布との関係の計算結果を説明するための説明図の続きである。 第１の実施の形態に係るスロット導波路における導波路幅と電界分布との関係の計算結果を説明するための説明図の続きである。 第１の実施の形態に係るスロット導波路における導波路幅と電界分布との関係の計算結果を説明するための説明図の続きである。 第１の実施の形態に係る光変調装置の製造工程を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る光変調装置のスロット導波路の構成、およびスロット導波路と光分布との関係を示す断面図である。 第３の実施の形態に係る光変調装置の構成を示す平面図である。 第３の実施の形態に係る光変調装置の構成を示す斜視図である。 従来の光変調装置の構成を示す平面図、および断面図である。 従来の光変調装置におけるスロット導波路と光分布との関係を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する

［第１の実施の形態］
図１（ａ）を参照して、本実施の形態に係る光変調装置１０の構成について説明する。なお、光変調装置１０は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である図１（ｂ）に示すようにパッド電極を除いて表面全体がＳｉＯ_２膜２６で覆われているが、図１（ａ）の平面図においては、理解の容易化のために該ＳｉＯ_２膜を省いて表している。この点につき、図２も同様である。
光変調装置１０は、基板１６上に配された、入出力導波路１４、リング導波路１２、正極側パッド電極１８、負極側パッド電極２０、および導波路１５を含んで構成されている。入出力導波路１４および導波路１５は、リング導波路１２と光学的に結合されており、導波路１５はドロップ用の導波路である。
光変調装置１０は、先述した光変調装置９０と同様に、波長選択性を有する光スイッチとして機能する。正極側パッド電極１８と負極側パッド電極２０との間に電源を接続してリング導波路１２のスロットに充填された電気光学効果を有する低屈折率媒質に電界を印加することにより、切り替える波長を可変とすることが可能である。

図１（ｂ）は、リング導波路１２の断面図を示している。同図に示すように、リング導波路１２は、一例としてＳｉ（シリコン）で形成された外側導波路１２２および内側導波路１２４と、一例として電気光学効果を有するＥＯポリマを充填して形成されたスロット１２０とを含んで構成されている。そして、外側導波路１２２はＰ型の不純物注入が施されたＰ型半導体層として形成され、正極側パッド電極１８に接続されている。また、内側導波路１２４もＰ型の不純物注入が施されたＰ型半導体層として形成され、負極側パッド電極２０に接続されている。

そして、本実施の形態に係るリング導波路１２の内側導波路１２４の幅Ｗｉは外側導波路１２２の幅Ｗｏよりも広くされている（図３も参照）。すなわち、本実施の形態に係るリング導波路１２を形成する２本の導波路は非対称に形成されている。

図３に、本実施の形態に係るリング導波路１２を構成するスロット導波路と該スロット導波路中を伝搬する光の分布との関係を示す。同図に示すように、光分布のピークはスロット１２０の位置と略一致している。そのため、Ｐ電極として機能する外側導波路１２２とＰ電極として機能する内側導波路１２４とにより、図中の矢印で示すように図３の横方向に印加される電界によって、リング導波路１２内の伝搬光に対し効率よく位相変調を施すことが可能となる。

つぎに、光分布を上述したように形成できる理由を説明する。
図４ないし図７は、屈曲したスロット導波路における内側導波路と外側導波路の幅をパラメータとして、電界の分布がどのように変化するかをシミュレーションした結果の一例を示している。本シミュレーションは、屈曲における曲率半径を１０μｍとし、モード解析ツールであるＲＳｏｆｔ社のＦｅｍＳＩＭを用いて実行した。

図４（ａ）に示すように、本シミュレーションにおけるモデルは、ＳｉＯ_２（二酸化シリコン）で周囲を取り囲まれたＳｉ（シリコン）からなる幅Ｗｉの内側導波路および幅Ｗｏの外側導波路から構成されている。したがって、幅ＷｓのスロットにはＳｉＯ_２が充填されることになる。なお、可視域でのＳｉＯ_２の屈折率は約１．４６、Ｓｉの屈折率は約３．４２である。

スロットの幅Ｗｓは０．２μｍに、各導波路の高さＨは０．２１μｍに各々固定されている。そして、Ｗｉ＋Ｗｓ＋Ｗｏを０．７６μｍに固定し、Ｗｉ＝Ｗ、Ｗｏ＝０．５６−ＷとしてＷを変数とした場合のスロット導波路における電界分布をシミュレーションし、閉じ込め係数（図４（ｂ）では、「CONFINEMENT FACTOR」と表記）Γを評価した。閉じ込め係数Γは、スロット導波路を伝搬する光の全エネルギーに占めるスロットに閉じ込められた光のエネルギーの割合を示している。

図４（ｂ）はその結果を示しており、同図の横軸は内側スロットの幅Ｗｉ（同図では「INSIDE SLOT WIDTH」と表記）、縦軸は閉じ込め係数Γである。同図より内側スロットの幅Ｗｉが０．３８μｍ、外側スロットの幅Ｗｏが０．１８μｍの近傍で閉じ込め係数Γが最大となっていることがわかる。すなわち、屈曲部を有するスロット導波路では、内側導波路の幅を外側導波路の幅に比較して相対的に広く形成することにより、伝搬光を効率よく閉じ込めることができるということがわかる。

図５ないし図７は、Ｗの増加に伴うスロット導波路の電界分布の変化を示しており、図５は、Ｗ＝０．２８μｍ（Ｗｉ＝０．２８μｍ、Ｗｏ＝０．２８μｍ、すなわち通常の対称スロット導波路）、図６は、Ｗ＝０．３７μｍ（Ｗｉ＝０．３７μｍ、Ｗｏ＝０．１９μｍ）、図７はＷ＝０．３８μｍ（Ｗｉ＝０．３８μｍ、Ｗｏ＝０．１８μｍ）の場合を示している。図５（ｂ）、図６（ｂ）、および図７（ｂ）の横軸は、各図に示すように、リング導波路の断面に平行な方向にとったＸ軸を示しており、スロットの中心をＸ軸の原点としている。縦軸は紙面に平行な面内でＸ軸と直行する方向にとったＹ軸である。

図５（ｂ）、図６（ｂ）、および図７（ｂ）から明らかなように、Ｗを大きくしていく（すなわち、内側導波路の幅を相対的に広く、外側導波路の幅を相対的に狭くしていく）ことにより、電界分布が外側導波路から内側導波路の方向に移動し、図７（ｂ）のＷ＝０．３８μｍ（Ｗｉ＝０．３８μｍ、Ｗｏ＝０．１８μｍ）近傍でＸ＝０付近、すなわちスロットの中心付近に電界が集中していることがわかる。

このように、スロットの中心付近に電界分布（光分布）のピークをもってくることにより、内側導波路１２４と外側導波路１２２による電界の分布とスロット１２０内の光分布とを略一致させることができるので、光変調装置１０の効率的な位相変調が可能となる。

ここで、電気光学効果による位相変調量は、一般に次式のように表せることが知られている。（出展：西原他「光集積回路」、オーム社）
Δφ＝πｎ_ｒ ^３ｒΓＥｌ／λ
Δφは位相変調量、λは波長、ｎ_ｒは電気光学効果を有する材料の屈折率、ｒは電気光学定数、Γは信号光と変調電界との重なり量、Ｅは印加電界、ｌは位相変調が機能している部分の長さである。ここで、上述した閉じ込め係数Γは、上式における重なり量Γに他ならない。つまり、位相変調量はΓに比例する（位相変調量∝Γ）ので、閉じ込め係数Γを上述したように高めることによって、同じ電界Ｅを印加した場合でも位相変調量Δφを飛躍的に高めることが可能となるのである。あるいは、同じ長さｌでも変調電圧（駆動電圧）を下げることができるのである。

なお、本実施の形態においては、外側導波路１２２および内側導波路１２４にＰ型の不純物注入を行って各々正極側パッド電極１８および負極側パッド電極２０に接続する構成としたが、外側導波路１２２および内側導波路１２４に施す不純物注入の型はＮ型であってもよい。
また、入出力導波路１４および導波路１５は、スロット導波路であってもよいし、単一の導波路からなる通常の平面導波路であってもよい。

つぎに、図８を参照して、本実施の形態に係る光変調装置１０の製造方法について説明する。図８（ａ）ないし（ｆ）はそれぞれ光変調装置１０におけるリング導波路１２付近の断面図を示している。本実施の形態では、光変調装置１０をＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて製造する方法を例示して説明するが、本発明はこれに限定されず、他の公知のＳｉ半導体プロセスを用いて製造してもよい。

図８において、まずＳｉ基板１６上にＳｉＯ_２層２２とＳｉ層２４を積層させてウエハ状のＳＯＩ基板を作成する。精密な加工を可能とするために、Ｓｉ層２４は、一例として、約０．２μｍとする。（図８（ａ））
つぎに、Ｓｉ層２４をリング導波路の形状にエッチングすべく、マスクを用いてドライエッチングを行う。ドライエッチングは、一例として、ＳＦ６（六フッ化硫黄）とＯ_２（酸素）の混合ガスによる反応性イオンエッチングを用いることができるが、これに限られず他のドライエッチング方法を用いてもよい。エッチング後、不要なマスクは、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により剥離する。（図８（ｂ））

つぎに、ドーピングの必要のない部分をマスクで覆い、イオン注入によって、内側導波路１２４および外側導波路１２２にＰ型不純物のドーピングを行う。Ｐ型不純物としてたとえばＢ（ホウ素）を用いることができる。
ドーピング後、不要なマスクは、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により剥離する。その後ウエハを熱処理してアニーリングを施し、ドーピングによるＳｉ結晶のダメージを修復する。（図８（ｃ））

つぎに、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマ化学気相成長）などによりＳｉＯ_２膜２６を堆積させる。本工程以降のフォトリソグラフィーを正確に行うために、ＢやＰ（リン）等を該ＳｉＯ_２膜２６に添加して軟化加熱する方法、あるいは、化学研磨による方法によってＳｉＯ_２膜２６を平坦化しておくことが望ましい。（図８（ｄ））

つぎに、マスクを用いて、Ｐ型シリコンである内側導波路１２４および外側導波路１２２に接続する電極を形成するためのコンタクトホールを、ＳｉＯ_２膜２６をＳｉ層２４まで貫通させて形成する。その後、電極を形成する金属、たとえばＡｌ（アルミニウム）をスパッタリングすることによって、コンタクトホールを埋めるとともにＳｉＯ_２膜２６上にＡｌ薄膜を形成する。その後、電極として残したい部分をマスクで覆い、フォトリソグラフィーなどによってパターニングし、Ｃｌ（塩素）プラズマを用いたドライエッチングなどによりＡｌ薄膜をエッチングして、正極側パッド電極１８および負極側パッド電極２０を形成する。Ａｌ薄膜の不純物残渣はＡｌドライエッチング残渣除去液などによって除去しておくことが好ましい。（図８（ｅ））
なお、電極を形成する金属はＡｌに限られずＡｕ（金）等を用いてもよい。

つぎに、マスクを用いてＳｉＯ２膜２６をエッチングし、スロット１２０部分にコンタクトホールを形成する。
その後、電気光学効果を有するポリマ（ＥＯポリマ）の一種であるＡＪ−ＣＫＬ１と母材（溶媒）となるポリマであるＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙｍｅｎｔｈｙｌ Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ：ポリメタクリル酸メチル）とを１−１−２トリクロロエチレンに溶かした溶液を塗布し、約８０℃の温度で加熱して溶媒１−１−２トリクロロエチレンを揮発させる。本工程により、低屈折率媒質であるＥＯポリマで充填されたスロットが形成されて、光変調装置１０が集積されたウエハが完成する。（図８（ｆ））

この後、各光変調装置１０をチップにダイシング（チップ個片化）する。
さらに、ＥＯポリマの電気光学効果を機能させるために、光変調装置１０のチップを約９０℃に加熱しながら、正極側パッド電極１８と負極側パッド電極２０との間に数Ｖないし数１０Ｖの電圧を印加してＥＯポリマを配向させる。

以上詳述したように、本実施の形態に係る光変調装置によれば、屈曲したスロット導波路を含んで構成される光変調装置において、変調効率が改善されるという効果を奏する。

［第２の実施の形態］
本実施の形態に係る光変調装置８０は、第１の実施の形態において光分布を変える方法を異ならせたものである。図１と異なる点は、リング導波路１２をリング導波路３２に置き換えた点のみなので、全体の構成は図１（ａ）を参照することとする。

図９に、本実施の形態に係る光変調装置８０のリング導波路３２の断面図を示す。
リング導波路３２は、基板１６上に配された、スロット３２０、外側導波路３２２、内側導波路３２４、正極側パッド電極１８、および負極側パッド電極２０を含んで構成されている。図１では、外側導波路１２２と内側導波路１２４の幅を異ならせて光分布を変えていたが、図９では、リング導波路３２の外側導波路３２２と内側導波路３２４の幅は同一としている（図９で、Ｗｉ＝Ｗｏ）。その代わり、内側導波路３２４の屈折率が外側導波路３２２の屈折率よりも相対的に大きくなるように構成している。内側導波路３２４と外側導波路３２２との間で屈折率差を設けるには、たとえば、内側導波路３２４をＳｉで形成し、外側導波路３２２をＳｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン）で形成するとよい。

上記のような構成のリング導波路３２では、光の分布を相対的に高屈折率である内側導波路３２４側に移動させるような作用が生ずるので、リング導波路３２の屈曲に起因して外側導波路３２２側に偏った光分布が修正される。その結果図９に示すように、対称なスロット導波路であっても光分布の中心をスロット３２０付近にもってくることが可能となり、電界が効率よくスロット３２０に充填されたＥＯポリマに印加されることになる。

以上のように、本実施の形態に係る光変調装置によっても、屈曲したスロット導波路を含んで構成される光変調装置において、変調効率が改善されるという効果を奏する。

［第３の実施の形態］
本実施の形態は、本発明をＭＺ（マッハツェンダ）型光変調装置に適用した形態である。ＭＺ型光変調装置とは、２つの位相変調装置の両端を５０：５０カプラで接続し、両位相変調装置において伝搬する光の位相差を０または半波長（π）としたのち合波することにより、ＤＣ（直流）光である入力光に対して振幅変調を行う変調装置である。

図１０および図１１を参照して本実施の形態に係る光変調装置５０について説明する。 図１０（ａ）において、光変調装置５０は、基板６０上に形成された、入力導波路６２、出力導波路６４、アーム導波路５２ａ、５２ｂ、入力側５０：５０カプラ（分岐素子）５４、出力側５０：５０カプラ５６、および電極５８ａ、５８ｂ、５８ｃを含んで構成されている。図１１に示すように、光変調装置５０は、Ｓｉ基板６０、ＳｉＯ_２層６０２、およびＳｉ層６０４を含むＳＯＩ基板をベースに製造しており、その製造方法は第１の実施の形態の図８と同様である。

入力導波路６２は導波路が１つの通常の平面導波路（以下、「単一導波路」という。）であり、入力導波路６２に入力されたＤＣ光である入力光Ｐｉｎは、入力側５０：５０カプラ５４で二分岐された後それぞれアーム導波路５２ａおよび５２ｂへと導かれる。アーム導波路５２ａおよび５２ｂのうち記号ＷＧ１で示した部分は単一導波路として、記号ＷＧ２で示した部分はスロット導波路として構成されている。各アーム導波路５２ａ、５２ｂを伝搬した光は、出力側５０：５０カプラ５６で合波された後、出力光Ｐｏｕｔとして出力される。
各電極の接続は、通常電極５８ｂを接地（グランド）電位とし、電極５８ａと５８ｃとの間に変調電気信号（通常マイクロ波ディジタル信号）を印加する。変調電気信号には直流バイアスが重畳される場合もある。

アーム導波路５２ａおよび５２ｂのうちスロット導波路部分（記号ＷＧ２で示された部分）は第１の実施の形態の図１（ｂ）と同様の構造とされている。すなわち、スロット導波路の屈曲部分では、Ｐ型にドープされた内側導波路の幅が相対的に広く、Ｐ型にドープされた外側導波路の幅が相対的に狭く形成されており、電極５８ａおよび５８ｃに印加された変調電気信号によって、スロットに充填されたＥＯポリマに位相変調が施される。その結果、変調電気信号が「０」の場合と「１」の場合とで、アーム導波路５２ａおよび５２ｂを伝搬する光の位相差が異なる状態となり、各アーム導波路を伝搬した光を５０：５０カプラ５６で合波すると、変調電気信号の「０」および「１」に対応して光の振幅が異なる出力光、すなわち振幅変調された出力光Ｐｏｕｔが得られる。

ここで、ＭＺ型光変調装置を構成するアーム導波路および該アーム導波路に変調電気信号を印加する電極は、光信号と変調電気信号との作用長を考慮して一定の長さが必要とされる。その場合、ＭＺ型光変調装置を集中定数型に構成すると、光波の速度とマイクロ波の速度にずれが生じて変調帯域が低下しやすいので、一般的には光波とマイクロ波の伝搬方向を一致させ両者の位相整合をとる進行波型に構成される。そのため、ＭＺ型光変調装置はそのサイズが比較的大きくなってしまう傾向がある。

それに対し、本実施の形態に係る光変調装置５０では、アーム導波路５２ａ、５２ｂを屈曲したスリット導波路で構成し、そのスリット導波路に横方向から電界を印加する構成としているため、アーム導波路として必要な長さを確保しつつ光の伝搬方向の長さを短縮し、小型化することができる。小型化することによって、光変調装置５０を集中定数的に扱っても変調帯域を確保しやすくなる、つまり周波数特性が向上するという利点もある。

つぎに、光変調装置５０のアーム導波路５２ａ、５２ｂの詳細な構成について説明する。アーム導波路５２ａおよび５２ｂは、単一導波路部分ＷＧ１およびスロット導波路部分ＷＧ２を具備している。図１０（ｂ）は、スロット導波路部分ＷＧ２を拡大して示している。該スロット導波路部分ＷＧ２は、複数（同図では３個）の略半円形状の単位スロット導波路２００を交互に向きを反転させて接続して構成され、その両端は略１／４円形状の単位スロット導波路２０２で接続されている。個々の単位スロット導波路２００の断面構造は図１（ｂ）と同様の構造とされている。すなわち、単位スロット導波路２００は、スロット２１０、外側導波路２１２、および内側導波路２１４を含んで構成されており、スロット２１０にはＥＯポリマが充填されている。単位スロット導波路２００は一定の幅を有するので、スロット２１０同士を接続すると、図１０（ｂ）に示すように単位スロット導波路２００の端面同士がずれるように接続される。

つぎに、アーム導波路５２ａおよび５２ｂにおける単一導波路とスロット導波路との結合構造について説明する。スロット導波路を用いたＭＺ型光変調装置を構成する際には、単一導波路とスロット導波路との間の相互変換構造が不可欠となる。そして、単一導波路とスロット導波路とを単純に結合すると、その構造の違いに起因して大きな反射・散乱が発生し大きな光損失を招く。そのため、本実施の形態に係る光変調装置５０では、非対称モード変換器３００を採用している。

図１０（ｃ）は、単一導波路とスロット導波路の結合部を構成する非対称モード変換器３００およびその前後の導波路を拡大して示している。同図に示すように、本実施の形態の結合部は、単一導波路部ＷＧ３、非対称モード変換器３００、スロット導波路部ＷＧ４を含んで構成されている。単一導波路部ＷＧ３は単一導波路３１０を備え、非対称モード変換器３００はモード変換部単一導波路３１２、モード変換部テーパ導波路３１４を備え、スロット導波路部ＷＧ４は同形状の導波路３１６および３１８を備えている。

非対称モード変換器３００を構成するモード変換部単一導波路３１２は、単一導波路３１０の片側を削り導波路幅を細くされて形成されており、その導波路幅でスロット導波路を構成する導波路３１８へと続いている。そして、テーパ状に形成されたモード変換部テーパ導波路３１４は、その先端位置を単一導波路３１０とモード変換部単一導波路３１２との切換部の位置に合わせ、かつモード変換部単一導波路３１２と離間させて配置されている。モード変換部テーパ導波路３１４は広い側の導波路幅でスロット導波路を構成する導波路３１６へと続いている。

ここで、単一導波路部ＷＧ３と非対称モード変換器３００との接続点を接続点Ｃ１、非対称モード変換器３００とスロット導波路部ＷＧ４との接続点を接続点Ｃ２とする。
接続点Ｃ１において、単一導波路３１０から２本の導波路（モード変換部単一導波路３１２およびモード変換部テーパ導波路３１４）に乗り換える際、２本の導波路のうちの１本をテーパ状にすることにより、接続点Ｃ１の前後における単一導波路３１０の実効屈折率と非対称モード変換器３００の実効屈折率とが等しくなるように構成されている。かかる構成によって、接続点Ｃ１における入力光Ｐｉｎの反射を抑えることができる。

さらに、本実施の形態に係る結合部では、非対称モード変換器３００をモード変換部単一導波路３１２およびモード変換部テーパ導波路３１４を具備して構成することにより、接続点Ｃ１前後における光学モードの形状を極力一致させ、散乱の発生を抑制するようにしている。そして、モード変換部単一導波路３１２およびモード変換部テーパ導波路３１４から、接続点Ｃ２以降の導波路３１８および３１６にかけて単一導波路モードからスロット導波路モードへのモード変換が徐々になされ、導波路３１８、３１６と略１／４円形状の単位スロット導波路２０２との接続点付近までにはモード変換を完全に完了している。

以上の説明は、入力側の非対称モード変換器３００についての説明であるが、出力側の非対称モード変換器についてもその構成、作用は同様であり、光の伝搬方向を逆に考えればよい。
以上の説明で明らかなように、本実施の形態に係る非対称モード変換器３００を用いることにより、単一導波路とスロット導波路とを低損失で結合することが可能となる。

以上詳述したように、本実施の形態に係る光変調装置によっても、屈曲したスロット導波路を含んで構成される光変調装置において、変調効率が改善されるという効果を奏する。さらに、本実施の形態に係る光変調装置によれば、ＭＺ型光変調装置が小型化され、その周波数特性が改善されるという効果も奏する。

１０ 光変調装置
１２ リング導波路
１４ 入出力導波路
１５ 導波路
１６ 基板
１８ 正極側パッド電極
２０ 負極側パッド電極
２２ ＳｉＯ_２層
２４ Ｓｉ層
２６ ＳｉＯ_２膜
３２ リング導波路
５０ 光変調装置
５２ａ、５２ｂ アーム導波路
５４ 入力側５０：５０カプラ
５６ 出力側５０：５０カプラ
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ 電極
６０ 基板
６２ 入力導波路
６４ 出力導波路
９０ 光変調装置
９２ リング導波路
９４ 入出力導波路
９５ 導波路
９６ 基板
９８ 正極側パッド電極
９９ 負極側パッド電極
１２０ スロット
１２２ 外側導波路
１２４ 内側導波路
２００ 単位スロット導波路
２０２ 単位スロット導波路
２１０ スロット
２１２ 外側導波路
２１４ 内側導波路
３００ 非対称モード変換器
３１０ 単一導波路
３１２ モード変換部単一導波路
３１４ モード変換部テーパ導波路
３１６、３１８ 導波路
３２０ スロット
３２２ 外側導波路
３２４ 内側導波路
６０２ ＳｉＯ_２層
６０４ Ｓｉ層
９２０ スロット
９２２ 外側導波路
９２４ 内側導波路

Claims (7)

1. 所定の屈折率より高い高屈折率媒質で形成され互いに平行に配置された導波路対、および前記導波路対の間に配置され、電気光学効果を有する前記所定の屈折率より低い低屈折率媒質が充填されたスロットを具備する導波路構造を有するとともに、前記導波路構造の少なくとも一部分に、前記導波路対を含む面に平行または略平行な面内において一方向に屈曲された屈曲部が形成され、かつ前記屈曲部における前記導波路対のうち屈曲方向の側の導波路の幅が屈曲方向とは反対方向の側の導波路の幅よりも広く形成されたスロット導波路と、
   前記スロットに対して、該スロットを伝搬する光と交差する方向に電界を印加する電界印加手段と、
   を含む光変調装置。
2. 所定の屈折率より高い高屈折率媒質で形成され互いに平行に配置された導波路対、および前記導波路対の間に配置され、電気光学効果を有する前記所定の屈折率より低い低屈折率媒質が充填されたスロットを具備する導波路構造を有するとともに、前記導波路構造の少なくとも一部分に、前記導波路対を含む面に平行または略平行な面内において一方向に屈曲された屈曲部が形成され、かつ前記屈曲部における前記導波路対のうち屈曲方向の側の導波路の屈折率が屈曲方向とは反対方向の側の導波路の屈折率よりも大きくされたスロット導波路と、
   前記スロットに対して、該スロットを伝搬する光と交差する方向に電界を印加する電界印加手段と、
   を含む光変調装置。
3. 前記低屈折率媒質が、電気光学効果を有するポリマである
   請求項１または請求項２に記載の光変調装置。
4. 前記屈曲部における前記導波路対の一方の導波路および他方の導波路の少なくとも一部が導電体とされており、
   前記電界印加手段が、前記一方の導波路の前記導電体部分に接続された第１の電極、および前記他方の導波路の前記導電体部分に接続された第２の電極を含んで構成される
   請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光変調装置。
5. 前記スロット導波路を２つ有し、
   １つの入力端と２つの出力端を有するとともに、２つの前記スロット導波路の各々の一端が前記２つの出力端の各々に接続された分波器と、
   ２つの入力端と１つの出力端を有するとともに、２つの前記スロット導波路の各々の他端が前記２つの入力端の各々に接続された合波器と、をさらに含み、
   前記電界印加手段は、２本の前記スロット導波路の各々のスロットに対して電界を印加する
   請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光変調装置。
6. 前記スロット導波路の屈曲部が、各々共通の幅を有するとともに所定の方向に屈曲した複数の単位スロット導波路を、屈曲方向を変えて交互にかつ各々の単位スロット導波路のスロット同士が連続するように接続されている
   請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光変調装置。
7. 前記単位スロットが略半円形状である
   請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の光変調装置。