JP2669097B2 - 高速光導波路デバイス - Google Patents

高速光導波路デバイス

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    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
    • G02F1/0356Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure controlled by a high-frequency electromagnetic wave component in an electric waveguide structure

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路デ
バイスに関し、光変換器やスイッチの周波数帯域拡大を
目的として,光導波路上に形成された進行波電極へのマ
イクロ波の透過特性を改善するためこのチップ幅または
厚さを従来より小さく構成することにより,チップ断面
の大きさによってきまるマイクロ波の共振周波数を高域
にシフトさせることにより,特性を改善を行う。
〔産業上の利用分野〕
本発明は光通信装置における光導波路デバイスに係
り、特に超高速のスイッチッグや変調を行う場合の変調
帯域の拡大を図るための光導波路デバイスの構成に関す
る。
〔従来の技術〕
一般に光スイッチや光変調器等に使用される光導波路
デバイスでは、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等の電気光
学結晶基板表面に形成した光導波路に電界を印加して屈
折率を変化させ、該導波路中を進行する光信号のスイッ
チングや位相変調を行っている。ニオブ酸リチウム(Li
NbO3)の電気光学効果はこの種の結晶の中では大きい
が,絶対値は小さいため,所望の位相変化を得るために
は距離を長くして屈折率変化量の小ささを補っている。
このため,電極の長さは通常数mm以上あり,実用的な動
作電圧を考えると20mm以上となる。
このように,長く,且つ数μmから数十μmに接近し
た電極に高速の電気信号を印加するには,進行波電極が
適している。また,この場合重要となるのが進行波電極
に印加されるマイクロ波の減衰あるいは放射をできるだ
けおさえることである。この対策として,光導波路上に
形成されたコプレーナ線路の特性インピーダンスが50Ω
となるように電極形状,電極同志の配置,および電極と
導波路の間に光の吸収を避けるために設けられたバッフ
ァ層の厚さを調整している。通常,電源は50Ω系で構成
されているため,このように構成することで外部電気回
路との電気的接続損失は低減する。また,マイクロ波の
導体損失を低減するため,電極材料には誘電率が大きい
金,胴などを用い,また,メッキ技術により,厚さを10
μm程度にまで厚くしている。
第5図は従来の光導波路デバイスの構成例を示した図
であり、特に高速動作が必要であるマッハツェンダ型光
変調器を示している。該図で、1はチップ長手方向に結
晶軸方位のX軸を、チップ幅方向にY軸を、また電気光
学係数r33を用いるために厚さ方向にZ軸が来るようカ
ットしたニオブ酸リチウム(LiNbO3)よりなる導波路基
板1でありその表面には結晶軸図示Y方向にチタン(T
i)蒸着膜を帯状にパターニング形成した後、該チタン
を導波路基板1中に熱拡散して該導波路基板1よりも屈
折率の大きい7μm程度の径を有する光導波路2を形成
している。
ついで進行波電極近傍の誘電率を小さくし、それとと
もに光学的に該電極への光のしみだしを防ぐため、該導
波路基板1の表面全面に通常の化学気相成長法(CVD)
技術によって0.3〜0.4μmの厚さに誘電率εが4.0、屈
折率が1.45程度の二酸化シリコン(SiO2)を被着させて
バッファ層を形成している。
更に上記バッファ層の表面で該光導波路2に対応する
位置には、帯状に例えば幅が数μm、厚さ10μm程度の
金(Au)薄膜からなる信号用電極4と接地用電極5を蒸
着、メッキ等の手段を用いて配置している。また,進行
波電極と信号源6とは同軸ケーブル7を用いて接続され
ている。また,終端抵抗8も同様に同軸ケーブル7を用
いて接続されている。また,導波路2は端面でニオブ酸
リチウム結晶ブロック9がはりつけられ,ファイバ固定
治具10を用いてファイバ11に接続されている。
このような進行波電極が形成された光導波路デバイス
では素子長が長いため,ウエハ切断時の安全対策やチッ
プのハンドリング,固定時の機械的強度を考慮してチッ
プ幅を通常5mm以上にしている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の進行波電極が形成された光導波路デバイスでは
変調器の周波数特性に対するチップ幅の影響が考慮され
ていなかったため,外部電源と進行波電極との接続部で
チップ断面方向に誘電体共振器を形成し,共振周波数で
ほとんどのマイクロ波電力が基板に逃げてしまい,その
周波数で変調がかからないという問題があった。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点は、光導波路および進行波電極が設けられ
た変調器チップの厚さ,および幅を充分小さくして,チ
ップ断面に励起するマイクロ波の共振周波数を使用帯域
外の高周波数側にシフトさせることによって解決され
る。
〔作 用〕
第2図はニオブ酸リチウム基板上に形成された進行波
電極の透過特性の周波数依存性を示す図である。図で
イ,ロで示すような損失の鋭い落ち込みが上述したマイ
クロ波の共振である。この鋭い落ち込みのため,これま
で変調器の使用帯域を拡大することができなかった。こ
れまでこの共振ピークが何によって発生しているか知ら
れていなかったが,我々はこの共振が外部電気回路と導
波路上のコプレーナ線路におけるチップ断面形状によっ
て決まっていることを見出した。我々はさらに,この共
振ピークの最小の周波数fcが fc=c0/(2nmd) …… で与えられることを実験的に見出した。ここで,c0は真
空中の光路,nmはマイクロ波の実効屈折率であり,dは長
方形のチップ断面における対角線の長さである。
光導波路上に形成された進行波電極はコプレーナ線路
であるため,特性インピーダンスが50Ωで形成されてい
ても外部の同軸線路,マイクロストリップラインとは電
界分布が異なり,接続損失を生じる。この接続損失は通
常さほど大きなものでないが,マイクロ波に対して共振
構造が存在すると,その周波数でほとんどすべての電力
が共振器側へにげてしまう。この場合,マイクロ波の接
続損失を小さくして共振器側にマイクロ波が逃げないよ
うに改善することは,この場所に共振構造が存在する限
り困難なことである。このため,式できまる最小の周
波数fcをもっと高周波数側にシフトして,所望の変調帯
域で影響が出ないようにすることが有効である。式で
c0は真空中の光速であり,nmは基板材料固有の値である
ため,変えることは困難である。このため,チップ断面
対角線の長さdを変えることでfcを高周波数側ヘシフト
できる。
ここで,この共振による影響の出ない,我々の所望す
る変調帯域をf0とするとf0とfcの間にはほぼ f0=0.7fc …… の関係があることを実験的に見出している。また,我々
の所望の周波数f0を10GHz帯で使うことを考え,このf0
を用い,式をに代入して整理するとnmdとして11mm
が得られる。つまり,nmdを11mm以下に形成することで我
々が所望している10GHz以上の変調帯域を持つ,変調器
やスイッチが得られる。一方,このような実用的な変調
器やスイッチのチップ長は通常25mmから100mmの長さを
有するため,あまり細く,あるいは薄くチップを加工す
ることは機械強度的に信頼性を無くする。このような25
mm以上ある各種チップの機械強度を検討した結果,dの値
を0.4以上とすれば良いことを見出した。また,このよ
うな電気光学効果を有する結晶の誘電率は4以上あり,
実効屈折率はこの平方根となり,2以上の値を有してい
る。このためnmdとしては0.8以上とすれば良いことがわ
かる。
以上のように、光導波路変調器やスイッチの電極接続
部のチップ断面の対角線の長さdとマイクロ波のd方向
の実効屈折率の積を 0.8<nmd<11(mm) …… とすることで,共振の周波数を高周波数側にシフトし,
良好な周波数特性を有する光導波路デバイスを構成する
ことができる。
〔実施例〕
第1図は本発明による導波路型変調器の実施例を示す
構造図である。該図で、1はニオブ酸リチウム基板であ
り,厚さ方向にZ軸がくるようにカットしてある。
また該導波路基板1表面には、結晶軸X方向にチタン
(Ti)をパターニング形成した後に加熱して上記チタン
を導波路基板1に熱拡散させた径が7μm程度の帯状の
光導波路2が両端で分岐・結合し,中央で相互に10数μ
mの間隔を保って平行に形成されている。
3は0.5μm〜1μmの厚さをもつ二酸化シリコン(S
iO2)からなるバッファ層であり、この上にメッキ技術
により形成された金からなる長さが20mmで厚さが10μm
の信号用電極4と接地用電極5が導波路上に平行に形成
されている。このチップの長さは30mmである。
ニオブ酸リチウム結晶のマイクロ波に対する誘電率は
Z方向が28.7,X,Y方向が43.4である。このためマイクロ
波の実効屈折率はそれぞれ5.36,6.59となる。この場合
のように実効屈折率が複屈折率を持つ場合にはそれぞれ
の方向の長さと実効屈折率をかけあわせたものからそれ
ぞれを2乗し,たしあわせた後,平方根をとることによ
って対角線d方向のnmdを求める必要がある。この実効
屈折率を考慮するとニオブ酸リチウム結晶を用いた導波
路デバイスの場合には式は 0.4<d<2(mm) …… となる。
第3図はこの進行波電極と外部電気回路との接続の様
子を示す図である。
また,第4図は第3図に示したマッハツェンダ型変調
器の進行波電極に帯するマイクロ波の透過損失の周波数
依存性を示している。図で点線がチップ幅が1.18mm,厚
さが1mmの場合,実線がチップ幅が0.57mmで厚さが0.52m
mの場合の特性を示している。
鋭いマイクロ波の損失が生じる最小の周波数fcはそれ
ぞれ,15GHz,29GHzとなっている。この値は式を用いて
計算した値,それぞれ16GHz,32GHzとほぼ一致してい
る。
また,この結晶ではdの長さを0.4mm以上とすること
により,端面における光ファイバとの接続,金属ブロッ
クへの導電接着材を用いた固定などの作業が問題なく行
えたが,dの長さが0.3mmの場合には,特にこのサイズに
チップを切断する場合に破損してしまうチップ数が飛躍
的に増加してしまった。
以上記載した内容は、光スイッチ等の同種の進行波電
極を用いた光導波路デバイスにも同様に適用できる。
〔発明の効果〕
上述の如く本発明により、従来の構成のものよりも広
帯域の光導波路型変調器や光スイッチを作成することが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)(b)は本発明による光導波路デバイスの
実施例構造を示す平面図と断面図である。 第2図は変調器の進行波電極の透過損失の周波数依存性
を示す一例である。 第3図は進行波電極と外部電気回路との接続の様子を示
す斜視図である。 第4図は本発明による変調器の進行波電極の透過損失の
周波数依存性を示す図である。 第5図は従来のマッハツェンダ型変調器の構造を示す斜
視図である。 〔符号の説明〕 1は導波路基板,2は光導波路, 3はバッファ層,4は信号用電極, 5は接地用電極,6は信号電源, 7は同軸ケーブル,8は終端抵抗, 9はニオブ酸リチウム・ブロック, 10はファイバ固定用治具, 11は光ファイバ。
フロントページの続き (72)発明者 山根 隆志 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特表 昭59−500186(JP,A) 15th European Conf erence Optical Com munication (ECOC’ 89) M.Seino et.al., 「ThB22−5 33−GHz・cm B roadband Ti:LiNbO▲ 下3▼ Mach−Zehnder M odulator」

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気光学効果を有する基板上に光導波路と
    進行波型電極とが形成されている光導波路デバイスにお
    いて、 前記光導波路と垂直となる前記電気光学を有する基板の
    断面のうち最も長くなる長さとこの方向へのマイクロ波
    の実行屈折率の積が0.8mmより大きく11mmより小さくな
    るように前記電気光学効果を有する基板の前記長さおよ
    び厚さが形成されていることを特徴とする光導波路デバ
    イス。
  2. 【請求項2】前記電気光学効果基板がニオブ酸リチウム
    であり、前記光導波路と垂直となる前記電気光学効果を
    有する基板断面で最も長くなる長さが、0.4mmより大き
    く2mmより小さく形成されていることを特徴とする請求
    項第1記載の光導波路デバイス。
  3. 【請求項3】電気光学効果を有する基板上に光導波路と
    進行波型電極とが形成されている光導波路デバイスにお
    いて、前記電気光学効果を有する基板の断面の対角線の
    長さは励起するマイクロ波の周波数より前記電気光学効
    果を有する基板の誘電体共振を発生する共振周波数が高
    くなるようにすることを特徴とする光導波路デバイス。
JP2052021A 1990-03-02 1990-03-02 高速光導波路デバイス Expired - Lifetime JP2669097B2 (ja)

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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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15th European Conference Optical Communication (ECOC’89) M.Seino et.al.,「ThB22−5 33−GHz・cm Broadband Ti:LiNbO▲下3▼ Mach−Zehnder Modulator」

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