JP2773492B2 - 進行波電極形導波形光デバイス - Google Patents

進行波電極形導波形光デバイス

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JP2773492B2 JP3281817A JP28181791A JP2773492B2 JP 2773492 B2 JP2773492 B2 JP 2773492B2 JP 3281817 A JP3281817 A JP 3281817A JP 28181791 A JP28181791 A JP 28181791A JP 2773492 B2 JP2773492 B2 JP 2773492B2
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    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • 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

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は種々のシステム、例え
ば、高速光通信,光学スイッチング・ネットワーク,光
学情報処理,および光学イメージ処理等を含む種々のシ
ステムにおける光導波形変調器/スイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】光導波形変調器/スイッチは、高速光通
信,光スイッチング・ネットワーク,光情報処理,光イ
メージ処理等を含む種々のシステムを実現するための最
も重要な要素である。光導波形変調器は、種々の製造方
法により、およびいくつかの興味ある基板において作成
されてきた。しかし、光導波形デバイス研究の大半は、
LiNbO3 基板およびGaAs基板を含んでいる。L
iNbO3 基板へのチタンの内部拡散は、良好な電気光
学特性で、基板に低損失のストリップ導波路を製造する
便利で比較的簡単な方法を提供する。導波形変調器の重
要なパラメータは、駆動電力と、変調帯域と、挿入損と
である。変調帯域および駆動電力のパラメータは、トレ
ードオフの関係にある。導波形変調器の研究は、このト
レードオフ関係を最適化することに集中している。
【0003】導波形変調器の帯域は、電極の種類,電極
の幾何学的形状,および基板の比誘電率に主に依存して
いる。広帯域応用に対しては、進行波電極が広く用いら
れる。この考え方は、電極を駆動伝送線の延長のように
見せることである。その場合には、電極はソースやケー
ブルの特性インピーダンスと同じ特性インピーダンスを
有さなければならない。この場合の変調速度は、光マイ
クロ波に対する走行時間(または位相速度または有効指
数)の差によって制限される。帯域を増大させるために
は、マイクロ波有効屈折率nm (値4.2から)減少さ
せることが必要で、それによってマイクロ波有効屈折率
は光有効屈折率n0 (LiNbO3 基板の場合に対する
典型的な値2.2)に近づく。
【0004】これを達成する方法の1つは、金属遮蔽を
用いることによって作られた空気層の使用である。これ
は次の論文に述べられている。“new travel
ing−wave electrode Mach−Z
ehnder optical modulator
with 20 GHz bandwidth and
4.7 V driving voltage at
1.52μm wavelength”, Elec
tronics Letters,Vol.25, N
o.20, pp 1382−1383(1989)。
【0005】従来の変調器の基本的構成を、図6に示
す。図6(a)は変調器の斜視図、図6(b)はA−
A′線断面図である。この変調器は、zカット,y方向
伝播LiNbO3 結晶ウェハ1上に、2つのY分岐導波
路(入力および出力の両側において、入力端2では電力
分配器として、出力端3では結合器として作動する)と
位相シフタ部4とは、Tiストリップを内部拡散するこ
とにより製作される。SiO2 バッファ層5は、導波路
に被覆されて、電極が導波路上に形成されるとき、TM
モード損を減少させる。
【0006】入力3dBカプラによって2つの等しい成
分に分離された入射波は、位相シフタ部4の2つのアー
ムの中を伝播する。位相シフトが干渉計アーム間に導入
されないなら、2つの入射成分は位相において結合し、
出力3dBカプラにおいて減衰しないで伝播を続ける。
πの位相シフトに対して、2つの成分が出力カプラにお
いて破壊的干渉を受け、この出力での透過光は最小とな
る。この位相シフトは、共面導波路形(進行導波路)電
極構造に電圧を供給することによって達成される。この
共面導波路形電極構造は、信号電極6と、50オームの
特性インピーダンスを有する2つの接地電極7,8とか
らなる。特別な遮蔽面12は、別に製作され、電極の上
に置かれる。電極構造の出力側では、50オームの抵抗
が接続される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】進行波変調器の帯域幅
は、マイクロ波と光波との間の位相速度不整合によって
制限を受ける。そのため、マイクロ波有効指数を減らす
必要があり、その結果、マイクロ波有効指数と光波有効
指数との間の差は減少する。この例において、マイクロ
波有効指数は、マイクロ波の大部分を、進行波電極構造
上の空気層を通過させることにより、減少する。これを
達成するためには、正確な寸法の溝を持つ金属被覆特殊
遮蔽を製作する必要があり、これには特殊で複雑な技術
が必要で、製造工程を増大させ、許容製造公差を減少さ
せる。
【0008】したがって、簡単な製造工程を容易にし、
一般の電極製造工程の延長となり、余分な特殊遮蔽を必
要としない高速変調器の新しい構成が必要となる。
【0009】本発明の目的は、このような要求に答えた
導波形光デバイスを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】これらの問題は以下の本
発明によって解決される。本発明は、少なくとも1つの
光導波路と、この光導波路上に形成されたバッファ層
と、このバッファ層上に形成された少なくとも2つの電
極と、これら電極上のみに形成された誘電体層と、さら
にそれら誘電体層上のみに形成された金属電極とからな
り、これら金属電極が互いに線状の金属コンタクトによ
って電気的に短絡されている電気光学的結晶からなる進
行導波路電極構造である。誘電体層は、さしたる困難も
なく、電極作製工程の延長として被覆することができ
る。誘電体層厚および誘電体物質を制御することによ
り、600GHzの帯域(マイクロ波損の制限のみを受
ける)は、10mm波長の進行波コプレーナ電極を達成
することができる。
【0011】
【作用】変調器の帯域を増大させるためには、マイクロ
波有効指数を減少させる必要があり、その結果、マイク
ロ波有効指数と光波有効指数との間の差は減少する。本
発明において、マイクロ波有効指数は、進行波電極構造
の上に置かれた誘電体層を、マイクロ波の大部分に通過
させることにより減少する。誘電体媒質の厚さおよび比
誘電率を制御することにより、マイクロ波有効指数は減
少し、光波有効指数にほぼ等しくすることができる。こ
うして非常に高速の変調器が実現される。
【0012】このように、本発明の主たる利点は、簡単
で比較的簡単な製造工程により、および一般的な電極製
造工程の拡張として製造でき、余分な特殊遮蔽を必要と
しない高速変調器を実現できることである。
【0013】
【実施例】本発明の導波形光デバイスの構成を、図1に
示す。図1(a)は導波形光デバイスの斜視図、図1
(b)はA−A′線断面図である。LiNbO3 結晶ウ
ェハ1の上に、5〜12μm幅のチタン金属膜を堆積さ
せ、900〜1100℃で5〜12時間結晶中に内部拡
散させることにより、幅5〜12μmおよび深さ3〜1
0μmの導波路2,3,4が作成される。これは2個の
Y分岐導波路(入力および出力側において、入力端2で
は電力分配器として、出力端3で結合器として作動す
る)と、位相シフタ部4とからなる。SiO2 バッファ
層5は、導波路上に電極が形成されるとき、TMモード
損を減少させるように導波路上に被覆される。バッファ
層の厚さは0.3〜10μmである。
【0014】このコプレーナ導波路形電極構造は、幅8
〜30μmおよび長さ10〜50mmの信号電極6と、
2つの接地電極7、8(幅100〜5000μm、長さ
10〜50mm、特性インピーダンス50オーム)とか
らなる。
【0015】このコプレーナ電極は、次に説明する一般
的な電極製造工程によって製造することができる。ま
ず、SiO2バッファ層5上にCr−Au金属の層(C
rは100〜300オングストローム、Auは1000
〜3000オングストローム)を堆積する。その上に、
2〜20μmのフォトレジスト層をスピンコートし、フ
ォトレジスト層中に電極パターンを作成する。次に、厚
さ3〜15μmのコプレーナ電極を電気めっきによって
形成する。厚さ0.5〜10μmの誘電体被覆層9を、
この電極上に堆積し、その上に金属層10を堆積する。
このように、コプレーナ電極上の誘電体の堆積は、一般
的な電極製造工程の拡張となる。フォトレジストの除去
および不必要なCr−Auのドライエッチングにより、
電極上に誘電体被覆層を持つコプレーナ電極構造が形成
される。接地電極7、8上の金属層10と信号電極6上
の金属10との間に金属コンタクト11を形成する。電
極構造の出力側に、50オームの抵抗を接続する。
【0016】なお、図1(a)は、図面を簡単にするた
めに、誘電体被覆層9および金属層10に省略してあ
る。
【0017】この構造は、過剰緩和法を用いて分析さ
れ、静電容量,有効マイクロ波指数,特性インピーダン
ス,および帯域等が計算される。図2はマイクロ波指数
m の計算値で、誘電体被覆層厚の関数として示され
る。水平軸は誘電体被覆層厚Dをμmの単位で示し、垂
直軸はマイクロ波指数nm を示す。このマイクロ波指数
は、誘電体被覆層(例えば、空気,BaF2,Mg
2 ,SiO2 )の厚さが約4μmのときの光波指数n
0 =2.2にほぼ等しい。
【0018】図3は、特性インピーダンスZの計算値を
誘電体被覆層厚の関数として示す。水平軸は誘電体層厚
をμmの単位で示し、垂直軸は特性インピーダンスZを
Ωの単位で示す。
【0019】図4は、誘電体被覆層厚Dの関数として帯
域幅の計算値を示す。水平軸は誘電体層厚Dをμmの単
位で示し、垂直軸は電極長が1cmのときの帯域幅をG
Hzの単位で示す。
【0020】これらの値から言えることは、本発明によ
れば、非常に高速の変調器が実現できるということであ
る。600GHzの帯域幅(マイクロ波損の制限のみ
で)は、厚さ3〜5マイクロmのBaF2誘電体層が堆
積されるときの、長さ1cmの進行波コプレーナ電極を
達成できる。
【0021】本発明は、非対称進行波電極形導波形デバ
イスをも含み、図5は変調器/スイッチの実施例を示し
ている。なお、図5(a)は斜視図、図5(b)はA−
A′断面図であり、図1と同一の参照番号は、同一の要
素を示している。なお、図5(a)は、図面を簡単にす
るために、誘電体被覆層9および金属層10は省略して
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である導波形光デバイスを示
す。
【図2】マイクロ波指数nm の計算値を、誘電体被覆層
厚の関数として示す図である。
【図3】特性インピーダンスの計算値を誘電体被覆層厚
の関数として示す図である。
【図4】帯域幅の計算値を誘電体被覆層厚の関数として
示す図である。
【図5】非対称進行構造における本発明の実施例を示す
図である。
【図6】従来の種類の変調器を示す図である。
【符号の説明】
1 ウェハ 2,3,4 導波路 5 バッファ層 6 信号電極 7,8 接地電極 9 誘電体被覆層 10 金属層 11 金属コンタクト

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気光学効果を有する結晶基板の上に形成
    された少なくとも1つの光導波路と、この光導波路上に
    形成されたバッファ層と、このバッファ層上に形成され
    た少なくとも2つの電極と、これら電極上のみに形成さ
    れた誘電体層と、さらにそれら誘電体層上のみに形成さ
    れた金属電極とからなり、これら金属電極が互いに線状
    の金属コンタクトによって電気的に短絡されていること
    を特徴とする進行波電極形導波形光デバイス
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