JP2017181676A

JP2017181676A - 光導波路素子

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Publication number: JP2017181676A
Application number: JP2016066417A
Authority: JP
Inventors: 利夫片岡; Toshio Kataoka; 市川　潤一郎; Junichiro Ichikawa; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2017-10-05

Abstract

【課題】バイアス電極が電気的ノイズを拾って光導波路に印加するＤＣバイアスが不安定化することを抑制し、動作特性が安定した光導波路素子を提供すること。【解決手段】電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路に変調信号に対応する電界を印加するための変調電極と、該光導波路にＤＣバイアスに対応する電界を印加するためのバイアス電極とを備えた光導波路素子において、該バイアス電極は、各電極Ａ及びＢが複数の電極部分（ａ１，ａ２，ｂ１〜ｂ３）が並列した櫛歯状構造であり、電極部分（ａ１，ａ２）と電極部分（ｂ１〜ｂ３）とが互いに噛み合った領域内で、カップリング係数が局所的に異なるよう設定することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、光導波路に変調信号やＤＣバイアスに対応する電界を印加するため、変調電極とバイアス電極とを個別に備えた光導波路素子に関する。

光通信分野や光計測分野において、光変調器などの光導波路素子が多用されている。図１は、特許文献１に開示されている光導波路素子の一例である。図１は、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板１に光導波路２を形成している。光導波路２は、分岐導波路（２１１，２１２）を備えたマッハツェンダー型導波路となっている。光導波路に沿って、光導波路に変調信号に応じた電界を印加するための変調電極３とＤＣバイアスに対応した電界を印加するためのバイアス電極４が形成されている。

バイアス電極は、並行導波路の長さ方向に沿ってＲＦ電極と並んで形成されるため、変調動作に要する電圧を低減すべくＲＦ電極を長くして半波長電圧（Ｖπ）を小さくしようとすると、バイアス電極の長さは逆に短くなる。このため、バイアス電極は、光導波路への作用効果のより高い電極構成にしなければならないこととなる。

変調電極３は、信号電極（３１１，３１２）と接地電極（３２１〜３２３）で構成される。バイアス電極は、一対の電極（４１，４２）を備え、各電極に直流（ＤＣ）バイアス電圧（Ｖ１，Ｖ２）が印加される、所謂、「差動バイアス電極」を構成している。

バイアス電極を構成する各電極には、光導波路に沿った複数の電極部分（４１１〜４１３，４２１〜４２３）が形成されている。例えば、電極４１は、一本の電気線路から分岐した複数の電極部分（４１１〜４１３）が並列した櫛歯状構造をしている。電極４２も同様に櫛歯状構造をしている。

図２は、他の光導波路素子の例であり、基板１に形成された光導波路は、複数のマッハツェンダー型導波路を入れ子状に配置したネスト型光導波路となっている。図２の光導波路素子では、バイアス電極４は、２つの対となる電極（４３と４４，４５と４６）で構成され、光導波路にＤＣバイアスに対応した電界を印加する部分では、複数の電極部分が櫛歯状に配置されている。光導波路への作用効果を高めるため電極の間隔が狭い。

高速／大容量の光ファイバ通信を実現するため、光導波路素子に適用される変調方式は、従来の強度変調（On-Off keying）などから、位相変調を用いたＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）、やＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization - Quadrature Phase Shift Keying）等、多値変調や多値変調に偏波多重を取り入れた伝送フォーマットが主流になっている。このため、一つの基板に組み込まれる変調部の数も増え、それに伴いＤＣバイアスを印加する箇所も多くなる。結果として、基板上には、図１や図２に示すような櫛歯状構造をした電極が多く配置されることとなる。

櫛歯状構造した２つの電極が、互いに噛み合うように配置されると、差動バイアス電極が櫛歯状構造部分で、容量結合や電界結合などによるアンテナやスロット線路として機能する。このため、アンテナとして機能した場合には、外来の電磁波（マイクロ波）をノイズとして拾い易くなり、スロット線路として機能した場合には、バイアス電極を伝搬する電気的なノイズを拾い易くなる。差動バイアス電極が櫛歯状構造部分で容量結合や電界結合が強く、カプラー回路として機能する場合には、特定の周波数のノイズ信号に対して、位相差が６０度、９０度あるいは１８０度のハイブリッド回路としての機能しうる。その結果、光導波路に印加されるＤＣバイアスが不安定となる現象を生じる。

さらに、拾うノイズが大きくなると、櫛歯状構造をした電極間で放電も発生し、電極自体が損傷することも危惧される。

特開２００３−２３３０４２号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、バイアス電極が電気的ノイズを拾って光導波路に印加するＤＣバイアスが不安定化することを抑制し、動作特性が安定した光導波路素子を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光導波路素子は、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基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路に変調信号に対応する電界を印加するための変調電極と、該光導波路にＤＣバイアスに対応する電界を印加するためのバイアス電極とを備えた光導波路素子において、該バイアス電極は、差動バイアス電極を構成する少なくとも一対の電極Ａ及びＢを有し、該電極Ａが、一本の電気線路から分岐した複数の電極部分ａが並列した櫛歯状構造であり、該電極Ｂが、一本の電気線路から分岐した複数の電極部分ｂが並列した櫛歯状構造であり、一方の該電極Ａの並列した該電極部分ａの間に、他方の該電極の並列した該電極部分ｂが、互いに噛み合うように配置され、該電極部分ａと該電極部分ｂとが互いに噛み合った領域内で、隣接した該電極部分ａと該電極部分ｂとによるカップリング係数、又は該電極部分ａと該電極部分ａを挟む２つの該電極部分ｂとによるカップリング係数のいずれかが、局所的に異なるよう設定することを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光導波路素子において、前記カップリング係数を局所的に異なるように設定するため、該電極部分ａの総本数と該電極部分ｂの総本数が異なるよう構成すること、少なくとも一部の該電極部分ａ又はｂの幅又は長さが他の電極部分と異なるよう構成すること、又は隣接する該電極部分ａと該電極部分ｂとの間隔が他の電極部分の間隔と異なるよう構成することの内、少なくともいずれか一つの構成を該バイアス電極が備えていることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該バイアス電極を構成する前記一対の電極は、該光導波路にＤＣバイアスを印加することに関与する電極部分以外の場所に、該光導波路にＤＣバイアスを印加することに関与する該電極部分の間よりも放電し易い構成を設けることを特徴とする。

本発明により、バイアス電極が、差動バイアス電極を構成する少なくとも一対の電極Ａ及びＢを有し、該電極Ａが、一本の電気線路から分岐した複数の電極部分ａが並列した櫛歯状構造であり、該電極Ｂが、一本の電気線路から分岐した複数の電極部分ｂが並列した櫛歯状構造であり、一方の該電極Ａの並列した該電極部分ａの間に、他方の該電極の並列した該電極部分ｂが、互いに噛み合うように配置され、該電極部分ａと該電極部分ｂとが互いに噛み合った領域内で、隣接した該電極部分ａと該電極部分ｂとによるカップリング係数、又は該電極部分ａと該電極部分ａを挟む２つの該電極部分ｂとによるカップリング係数のいずれかが、局所的に異なるよう設定することにより、バイアス電極が電気的ノイズを拾って光導波路に印加するＤＣバイアスが不安定化することを抑制し、動作特性が安定した光導波路素子を提供することが可能となる。

従来の光導波路素子の一例を示す平面図である。従来の光導波路素子の他の例を示す平面図である。本発明の光導波路素子に係る第１実施例を示す平面図である。本発明の光導波路素子に係る第２実施例を示す平面図である。本発明の光導波路素子に係る第３実施例を示す平面図である。本発明の光導波路素子に係る第４実施例を示す平面図である。本発明の光導波路素子に係る第５実施例を示す平面図である。本発明の光導波路素子に係る第６実施例を示す平面図である。本発明の光導波路素子に係る第７実施例を示す平面図である。本発明の光導波路素子に係る第８実施例を示す平面図である。

以下、本発明に係る光導波路素子について、図３乃至１０を用いて詳細に説明する。
本発明の光導波路素子は、図１及び図２に示した従来例と同様に、電気光学効果を有する基板１と、該基板に形成された光導波路２と、該光導波路に変調信号に対応する電界を印加するための変調電極３と、該光導波路にＤＣバイアスに対応する電界を印加するためのバイアス電極４とを備えた光導波路素子を対象としている。
特に、バイアス電極４が電気的ノイズを捕捉するのを抑制するための構成として、図３乃至９に示す構成を備えている。

電気光学効果を有する基板１としては、ＬｉＮｂＯ_３やＬｉＴａＯ_３等の誘電体やＩｎＰやＳｉ等の半導体を用いたものなどがある。本発明の光導波路素子においても、当該基板の材料は特に限定されないが、従来から公知の誘電体や半導体の基板を用いることできる。また、光導波路２の形成に際しても、ＬｉＮｂＯ_３の誘電体基板にＴｉを熱拡散させ光導波路を形成する方法やリッジ型光導波路など、公知の技術を用いることが可能である。

本発明の光導波路素子の特徴である、バイアス電極４が電気的ノイズを捕捉するのを抑制するための構成について説明する。本発明の光導波路素子では、バイアス電極が、差動バイアス電極を構成する少なくとも一対の電極Ａ及びＢを有し、該電極Ａが、一本の電気線路から分岐した複数の電極部分ａが並列した櫛歯状構造であり、該電極Ｂが、一本の電気線路から分岐した複数の電極部分ｂが並列した櫛歯状構造であり、一方の該電極Ａの並列した該電極部分ａの間に、他方の該電極の並列した該電極部分ｂが、互いに噛み合うように配置され、該電極部分ａと該電極部分ｂとが互いに噛み合った領域内で、隣接した該電極部分ａと該電極部分ｂとによるカップリング係数、又は該電極部分ａと該電極部分ａを挟む２つの該電極部分ｂとによるカップリング係数のいずれかが、局所的に異なるよう設定されている。

本発明におけるカップリング係数とは、櫛歯状構造の電極が、容量性結合、電界結合、又は磁界結合などにより電気的ノイズを捕捉する効率を示す係数である。本発明では、特に、隣接した電極部分ａと電極部分ｂ、又は電極部分ａと該電極部分ａを挟む２つの該電極部分ｂのように局所的な領域における電極のカップリング係数に着目している。

カップリング係数を局所的に異なるように設定するための構成としては、（１）電極部分ａの総本数と電極部分ｂの総本数が異なるよう構成、（２）少なくとも一部の電極部分ａ又はｂの幅又は長さが他の電極部分と異なるよう構成、（３）隣接する電極部分ａと電極部分ｂとの間隔が他の電極部分の間隔と異なるよう構成など採用可能である。これらの構成は、個別に適用しても良いし、組み合わせて用いても良い。

以下、本発明の光導波路素子に係る実施例について説明する。
図３に示す第１実施例と図４に示す第２実施例は、カップリング係数を異ならせる構成として、電極部分の総本数を異なるよう設定したものである。なお、図３乃至１０は、バイアス電極の構成の一部を例示したものである。これらの構成は、図１又は２の光導波路素子のバイアス電極４に適用することが可能である。

図３はＺカット型基板に光導波路２３を設けた場合を示している。電極Ａの並列した電極部分（ａ１，ａ２）の総本数は２本であり、電極Ｂの並列した電極部分（ｂ１〜ｂ３）の総本数は３本である。

図３の電極部分（ａ１，ａ２，ｂ１〜ｂ３）に表示された矢印は、電気的ノイズの電流の流れる方向であり、櫛歯状構造の電極Ａと電極Ｂとでは互いに逆方向の電流が流れる。電極部分の総本数が異なると、各電極Ａ及びＢに流れる電流の総量が異なることなり、バイアス電極による電気的ノイズの捕捉が抑制される。

図４は、第２実施例であり、Ｘカット型基板上の２本の光導波路（２３１，２３２）にＤＣバイアスを印加する構成を示したものである。電極Ａの並列した電極部分（ａ１〜ａ３）の総本数は３本であり、電極Ｂの並列した電極部分（ｂ１、ｂ２）の総本数は２本である。このため、第１実施例と同様に、電気的ノイズの捕捉を抑制することが可能となる。

図５に示す第３実施例と図６に示す第４実施例は、カップリング係数を異ならせる構成として、電極部分の幅を異ならせたものである。
図５は、Ｚカット型基板上に２本の光導波路（２３１，２３２）を設け、ＤＣバイアスを印加するよう構成している。電極Ａの電極部分ａ１及びａ２の各幅はＷ２及びＷ４であり、電極Ｂの電極部分ｂ１及びｂ２の各幅はＷ１及びＷ４となっている。

例えば、Ｗ２＝Ｗ３とし、Ｗ１＜Ｗ４と設定することで、電極部分ｂ１とａ２とでは、電極部分の断面積（図面に対して垂直かつ横方向に切断した場合の断面積）が異なり、各電極部分に流れる電気的ノイズの電流量が異なることとなる。これにより、各電極Ａ及びＢに流れる電流量が異なるため、電気的ノイズの捕捉を抑制することが可能となる。

当然、電極部分の断面積を異ならせるためには、幅だけでなく、高さを変更しても良い。ただし、製造プロセスを複雑化させないためには、幅で調整することが好ましい。また、Ｚカット型基板の場合には、光導波路の上側に電極部分が配置される。光導波路に印加する電界の形状を適正に保つため、光導波路の上側に配置する電極部分の幅は、光導波路の幅に対して、所定の値に設定することが好ましい。

図６は、第４実施例であり、図４の第２実施例と同様に、Ｚカット型基板上の２本の光導波路（２３１，２３２）にＤＣバイアスを印加している。図６では、電極部分の総本数だけでなく、電極部分ａ１及びａ３の各幅Ｗ１及びＷ５を他の電極部分（ａ２，ｂ１，ｂ２）の幅（Ｗ３，Ｗ２，Ｗ４）と異なるよう構成している。これにより、より一層、電気的ノイズを捕捉することを抑制することが可能となる。

図７に示す第５実施例と図８に示す第６実施例は、カップリング係数を異ならせる構成として、電極部分の長さを異ならせたものである。
図７は、Ｚカット型基板上に１本の光導波路（２３）を設け、ＤＣバイアスを印加するよう構成している。電極Ａの電極部分ａ１及びａ２と電極Ｂの電極部分ｂ１の各長さ（長さをＬ１とする）は同じであるが、電極Ｂの電極部分ｂ２の長さＬ２だけが、長さＬ１よりも短くなっている。

このように、電極部分の長さが変化すると、各電極部分に流れる電気的ノイズの電流量も変化するため、結果として、各電極Ａ及びＢに流れる電流量が異なることとなる。これにより、電気的ノイズの捕捉を抑制することが可能となる。

図８の第６実施例では、Ｘカット型基板上の２本の光導波路（２３１，２３２）にＤＣバイアスを印加す構成を示している。図８に示すように、電極Ａを構成する電極部分ａ１の長さＬ１は、電極部分（ａ２，ｂ１，ｂ２）の長さＬ２より長くなるように設定されている。また、電極部分ａ３の長さｌ３は、長さＬ２よりも短くなるように設定されている。

なお、電極部分の長さは、光導波路が電界で屈折率が変化する長さに影響を及ぼす。このため、光導波路に電界を印加する電極部分（ｂ１とａ２，ａ２とｂ２）については、所定の長さに設定し、それ以外の電極部分を図８のように変化させることが好ましい。

図９に示す第７実施例は、カップリング係数を異ならせる構成として、電極部分間の間隔を異ならせたものである。
図９は、Ｘカット型基板上に２本の光導波路（２３１，２３２）を設け、ＤＣバイアスを印加するよう構成している。電極Ａの電極部分ａ２と電極Ｂの電極部分ｂ１との間隔Ｇ２は、電極Ａの電極部分ａ２と電極Ｂの電極部分ｂ２との間隔Ｇ３と同じである。電極Ａの電極部分ａ１と電極Ｂの電極部分ｂ１との間隔Ｇ１や、電極Ａの電極部分ａ３と電極Ｂの電極部分ｂ２との間隔Ｇ４は、前記間隔Ｇ２又はＧ３と異なるよう設定されている。

このように、電極部分間の間隔が変化すると、各電極部分間の容量結合等の電気的ノイズを捕捉する効率が異なり、結果として、電気的ノイズの捕捉を抑制することが可能となる。

間隔を異ならせる電極部分は、ＤＣバイアスの印加に関与する電極部分（ａ２とｂ１，又はａ２とｂ２）は避け、それ以外の電極部分を調整することが好ましい。これは、光導波路に印加する電界強度が間隔によってバラツキが生じるのを抑制するためである。さらに、後述する放電箇所を設ける観点から、図９に示すように、ＤＣバイアスの印加に関与する電極部分の間隔以外について、特定の間隔を狭く構成しても良い。

ところで、電気的ノイズを捕捉した場合には、電極間で放電現象が発生し、光導波路に電界を印加するための電極が損傷することが危惧される。このため、仮に、バイアス電極が電気的ノイズを捕捉した場合でも、電界の印加に支障ない箇所で放電を発生させ、必要な電極への損傷を抑制することが可能である。

この放電対策については、図１０の第８実施例に示すように、バイアス電極を構成する一対の電極は、光導波路にＤＣバイアスを印加することに関与する電極部分以外の場所に、該光導波路にＤＣバイアスを印加することに関与する該電極部分（ａ２とｂ１，ａ２とｂ２）の間よりも放電し易い構成Ｙを設けることで対応することが可能である。

放電し易い箇所は、一対の電極を局所的に近づけることで容易に形成することが可能なため、図９のように、ＤＣバイアスの印加に関与していない電極部分の幅を狭くしたり、一対の電極（例えば、ＡとＢ）の給電パッド部分の電極間隔を狭く構成するなど、種々の形態を採用することが可能である。

また、仮に放電が発生しても、ＤＣバイアスに電界を印加する電極部分への損傷を少なくするため、放電が発生する電極部分の幅を太くすることも可能である。例えば、図１０の電極部分ｂ１（ｂ２）の幅を太く構成することで、放電が電極部分ａ２とｂ１（ａ３とｂ２）との間に発生しても、ＤＣバイアスが印加に関与する電極部分ｂ１とａ２（ａ２とｂ２）との間への損傷を抑制することも可能となる。

以上、説明したように、本発明によれば、バイアス電極が電気的ノイズを拾って光導波路に印加するＤＣバイアスが不安定化することを抑制し、動作特性が安定した光導波路素子を提供することができる。

１電気光学効果を有する基板
２光導波路
２１１，２１２，２２１〜２２４光導波路（分岐導波路）
３変調電極
３１１〜３１４信号電極
３２１〜３２６接地電極
４バイアス電極
ａ１〜ａ３，ｂ１〜ｂ３電極部分

Claims

電気光学効果を有する基板と、
該基板に形成された光導波路と、
該光導波路に変調信号に対応する電界を印加するための変調電極と、
該光導波路にＤＣバイアスに対応する電界を印加するためのバイアス電極とを備えた光導波路素子において、
該バイアス電極は、差動バイアス電極を構成する少なくとも一対の電極Ａ及びＢを有し、
該電極Ａが、一本の電気線路から分岐した複数の電極部分ａが並列した櫛歯状構造であり、
該電極Ｂが、一本の電気線路から分岐した複数の電極部分ｂが並列した櫛歯状構造であり、
一方の該電極Ａの並列した該電極部分ａの間に、他方の該電極の並列した該電極部分ｂが、互いに噛み合うように配置され、
該電極部分ａと該電極部分ｂとが互いに噛み合った領域内で、隣接した該電極部分ａと該電極部分ｂとによるカップリング係数、又は該電極部分ａと該電極部分ａを挟む２つの該電極部分ｂとによるカップリング係数のいずれかが、局所的に異なるよう設定することを特徴とする光導波路素子。
請求項１に記載の光導波路素子において、前記カップリング係数を局所的に異なるように設定するため、該電極部分ａの総本数と該電極部分ｂの総本数が異なるよう構成すること、少なくとも一部の該電極部分ａ又はｂの幅又は長さが他の電極部分と異なるよう構成すること、又は隣接する該電極部分ａと該電極部分ｂとの間隔が他の電極部分の間隔と異なるよう構成することの内、少なくともいずれか一つの構成を該バイアス電極が備えていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該バイアス電極を構成する前記一対の電極は、該光導波路にＤＣバイアスを印加することに関与する電極部分以外の場所に、該光導波路にＤＣバイアスを印加することに関与する該電極部分の間よりも放電し易い構成を設けることを特徴とする光導波路素子。