JP3924289B2 - 光変調素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光変調素子及びその製造方法に関し、特に、周波数応答特性を平坦化するための光変調素子及びその製造方法に関する。

光通信や光計測の分野において、光強度変調器や光位相変調器などのように、電気光学効果を有する基板に光導波路及び該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御用電極を設けた光変調素子が、利用されている。
従来の光変調素子の周波数応答特性は、制御用電極に印加されるマイクロ波と光導波路を伝搬する光波との速度整合のずれによる変調効率の劣化や、電極損失によるマイクロ波の減衰などにより、変調周波数が高周波になるほど劣化を生じることとなる。
例えば、一般的な４０Ｇｂｐｓ用の光変調素子では、周波数応答特性が１ＧＨｚを基準として３０ＧＨｚで３ｄＢ程度の劣化を生じている。

現状の光変調素子に係るプロセス技術においては、以下の特許文献１のように速度整合のずれを抑制する技術や、電極損失を低減する技術など、各種の技術開発が行われているが、十分な効果は達成されておらず、特に、光変調素子に印加される変調信号が高周波となる場合において、周波数応答特性の劣化を防止することは大変困難であるため、光変調素子における低周波から高周波まで平坦な周波数応答特性を実現することは難しい。
特開２００３−２６２８４１号公報

光導波路を伝搬する光波に信号電極により位相変調を行う光変調素子の例を見ると、一般的に、電極損失は信号電極の長さが長くなるに従い増加する。また、速度整合のずれも光導波路と信号電極の作用部が長くなるに従い増加する。すなわち作用部における信号入射側と出射側では単位長さ当たりの位相変化量の効率が、大きく異なることになる。
また、このような電極損失と速度不整合は、信号電極に印加されるマイクロ波の周波数が大きくなるほど影響を受けるため、高周波における光変調素子の光応答特性は、低周波の場合より低くなる。

他方、以下の特許文献２のように、光変調素子おいて制御用電極を構成する信号電極の終端に設けられる終端抵抗のインピーダンスを調整することにより、周波数応答特性を低周波域から高周波域までフラットな周波数特性とする技術がある。
しかしながら、光変調素子の特性を素子の外部に設けた電気回路等で補償することは、光変調素子を含む装置全体の複雑化を招くと共に、製造作業や調整作業の煩雑化の原因ともなり、製造コストが増大することとなる。
特許第３０８８９８８号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光変調素子の周波数応答特性を平坦化すると共に、製造の容易性や低コスト化を実現する光変調素子を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、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、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御用電極とを有する光変調素子において、該制御用電極により該光導波路を伝搬する光波を変調制御する作用部に、該作用部を光波の進行方向に向かって分極の非反転領域及び反転領域の順に、分極反転領域を形成し、次式（１）で算出される誘導位相量Ｈ（ｆ）の周波数特性が平坦化するように、分極反転領域の長さ１ｂが調整されていることを特徴とする。
Ｈ（ｆ）＝Ｈａ（ｆ）−Ｈｂ（ｆ） ・・・・（１）
ただし、Ｈａ（ｆ）は次式（２）のｌに非反転領域の長さｌａを、またＨｂ（ｆ）は次式のｌに反転領域の長さｌｂとｌａとの和を代入して得られたものである。
Ｈ（ｆ）＝exp（−αｌ／2）SQRT［｛sinh ² （αｌ／2）＋sin ² （ξｌ／2）｝／｛（αｌ） ² ＋(ξｌ／2） ² ｝］ ・・・・（２）
なお、ξは２πｆ（ｎ _ｅ −ｎ _ｍ ）／ｃを示し、ξに含まれるｎｅは導波路の屈折率、ｎｍはマイクロ波の屈折率、ｃは光速を示す。
また、αは減衰定数であり、周波数をｆ、導体損α _ｃ 、誘電体損α _ｄ とすると、次式（３）で得られる。
α＝α _ｃ √ｆ＋α _ｄ ・ｆ ・・・・（３）

また、請求項２に係る発明は、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、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御用電極とを有する光変調素子において、該制御用電極により該光導波路を伝搬する光波を変調制御する作用部に、該作用部を光波の進行方向に向かって分極の反転領域及び非反転領域の順に、分極反転領域を形成し、次式（１）で算出される誘導位相量Ｈ（ｆ）の周波数特性が平坦化するように、非分極反転領域の長さ１ｂが調整されていることを特徴とする。
Ｈ（ｆ）＝Ｈａ（ｆ）−Ｈｂ（ｆ） ・・・・（１）
ただし、Ｈａ（ｆ）は次式（２）のｌに反転領域の長さｌａを、またＨｂ（ｆ）は次式のｌに非反転領域の長さｌｂとｌａとの和を代入して得られたものである。
Ｈ（ｆ）＝exp（−αｌ／2）SQRT［｛sinh ² （αｌ／2）＋sin ² （ξｌ／2）｝／｛（αｌ） ² ＋(ξｌ／2） ² ｝］ ・・・・（２）
なお、ξは２πｆ（ｎ _ｅ −ｎ _ｍ ）／ｃを示し、ξに含まれるｎｅは導波路の屈折率、ｎｍはマイクロ波の屈折率、ｃは光速を示す。
また、αは減衰定数であり、周波数をｆ、導体損α _ｃ 、誘電体損α _ｄ とすると、次式（３）で得られる。
α＝α _ｃ √ｆ＋α _ｄ ・ｆ ・・・・（３）

請求項１又は２に係る発明によれば、光変調素子の周波数応答特性、特に誘導位相量の周波数特性を平坦化するための平坦化手段である分極反転領域又は非反転領域が、制御用電極により光導波路を伝搬する光波を変調制御する作用部の一部に設けられているため、光変調素子の外部に別途、周波数応答特性の平坦化のための手段を設置する必要が無く、しかも、周波数応答特性に特に影響を及ぼす作用部自体に平坦化手段を組み込んでいるため、平坦化をより効果的に実現することが可能となる。

しかも、平坦化手段として作用部における基板の分極方向を調整するものであるため、既存の分極反転技術などを適用し、極めて容易かつ安価に平坦化手段を構成することが可能となる。さらに、本発明によれば、電極損失と速度整合のずれによる損失を考慮して、誘導位相量の周波数特性の平坦化を実現できる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、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、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御用電極とを有する光変調素子において、該制御用電極により該光導波路を伝搬する光波を変調制御する作用部の一部に、光変調素子の周波数応答特性、特に誘導位相量の周波数特性を平坦化するための平坦化手段を設けたことを特徴とする。なお、平坦化手段とは、後述するように作用部における基板の分極方向を調整するものである。

本発明に係る光変調素子は、特に、上述した現状の光変調素子の問題点である、作用部における信号入射側と出射側では単位長さ当たりの位相変化量の効率が、大きく異なること、さらには、信号電極に印加されるマイクロ波の周波数が大きくなるほど電極損失と速度不整合の影響を受けるため、高周波における光変調素子の光応答特性が低周波の場合より低くなることなどを、積極的に活用して、光変調素子の周波数応答特性の平坦化を実現したものである。

図１は、本発明に係る光変調素子の第１の実施例を示す、光位相変調器の概略図である。
基板１は、電気光学効果を有する基板であり、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）、及び石英系の材料から構成され、具体的には、これら単結晶材料の、Ｘカット板、Ｙカット板、及びＺカット板から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成されやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いることが好ましい。

光導波路２は、直線型光導波路であり、基板１上に、例えばチタン（Ｔｉ）などを堆積させた後、熱拡散させて形成する。また、図１には示していないが、光導波路３中を伝搬する光の電極層への吸収を少なくするため、酸化シリコン（ＳｉＯ₂)などからなるバッファ層を、基板９上に形成することもできる。制御用電極である接地電極（不図示）及び信号電極３は、金（Ａｕ）などの金属から形成する。

矢印７の入射光は、光ファイバなどを利用して光変調素子に入射され、光導波路２中を進行する。一方、信号電極３には、駆動ドライバ４から給電ケーブルを通して、マイクロ波信号の高周波交流電圧が印加される。この電気信号は、光導波路２中を伝搬する光波の進行方向と同方向の順方向電気信号として、光導波路２中を伝搬する光波に印加される。また、信号電極３の終端には終端抵抗が接続され、信号電極を進行するマイクロ波の終端部での反射を抑制している。

電気信号の印加により光導波路の屈折率が変化するため、光導波路中を進行する導波光の位相もこの屈折率変化に起因して変化する。位相の変化した光波は、位相変調光として矢印８のように光変調素子から出射する。

本発明では、光導波路２を伝搬する光波に信号電極３が形成する電界が作用する作用部（作用部の長さを作用長と言う）において、一つの作用長の光波の出口側に分極反転領域を設けている。そして、非反転領域（双方矢印lａの範囲）と反転領域（双方矢印ｌｂ）の長手方向（光波及びマイクロ波の進行方向）の位置による周波数応答特性の差を利用して、低周波領域の応答を減衰させて、高周波領域の応答との差を抑制し、光変調素子の周波数応答特性を平坦化している。

このような異なる分極方向を有する光変調素子の周波数応答特性は、以下のような式で表現することが可能である。
光変調素子の電極損失は、式（３）の減衰定数αを用いて表すことができる。ただし、減衰定数αは周波数をｆ、導体損α_ｃ、誘電体損α_ｄとする。
α＝α_ｃ√ｆ＋α_ｄ・ｆ ・・・・（３）

式（３）のαを用いて、一般的な光変調素子の周波数応答（変調によって生じた位相変化量を誘導位相量と言い、Ｈで表す。ただし、Ｈは誘導位相量の大きさを示している。）は、次式（２）で表される。ただし、ｌは電極長、ξは２πｆ（ｎ_ｅ−ｎ_ｍ）／ｃを示し、ξに含まれるｎｅは導波路の屈折率、ｎｍはマイクロ波の屈折率、ｃは光速を示す。
Ｈ（ｆ）＝exp（−αｌ／2）SQRT［｛sinh²（αｌ／2）＋sin²（ξｌ／2）｝／｛（αｌ）²＋(ξｌ／2）²｝］ ・・・・（２）

図1に示す光変調素子の場合は、非反転領域の長さをｌａ、反転領域の長さをｌｂとし、非反転領域の誘導位相量Ｈ_ａ（ｆ）が式（２）のｌにｌａを代入して得られ、反転領域の誘導位相量Ｈ_ｂ（ｆ）は、式（２）のｌにｌａ＋ｌｂを代入して得られる。次式（１）で表される。
そして、光変調素子を通過した光波の誘導位相量Ｈは、次式（１）で表現できる。
Ｈ（ｆ）＝Ｈａ（ｆ）−Ｈｂ（ｆ）・・・・（１）

式（１）から図１の光変調素子の周波数応答を算出する場合、ｌａとｌｂとを調整することにより、光応答特性を可変することができる。図２に、ｌａ及びｌｂを可変調整した場合の誘導位相量の周波数依存性である光周波数応答特性を示す。図中の太線ａは、ｌｂ＝０の反転領域を設けていない場合の光変調素子の光応答である。また、細線ｂ，ｃ，ｄは、反転領域を調整して（ｂは作用長の約１０％に、ｃは作用長の約２０％に、ｄは作用長の約４０％に分極反転領域を形成したものを示す。）光応答を可変した場合の例である。細線ｂ，ｃを見ると、全く分極反転領域を設けない従来例の場合（太線ａ）と比較し、低周波と高周波での光応答（誘導位相量）の差が少なく、光周波数応答特性が平坦化していることかわかる。

図１の光変調素子における、低周波と高周波での作用長に対する誘導位相量の変化を、図３に模式的に示す。電極損失と速度整合のずれによる損失が生じ難い低周波では、単純に作用長の長さに比例して誘導位相量が決まる。これに対し、高周波では、電極損失、速度整合ずれによる損失が生じるため、作用長だけでなく作用位置による損失を考慮して誘導位相量が決まる。

図３に示すように作用長ｌａにおいては、低周波の誘導位相量は、作用長に比例し増大するが、高周波の場合には、作用長が長くなるに従い、各種損失により誘導位相量の増加が緩やかとなる。そして、両者の誘導位相量の差は、作用長ｌａの終端（非反転領域と反転領域との境）において最大となる。次に、反転領域に入ると誘導位相量の大きさの変化は非反転領域の変化傾向を維持するが、位相の変化方向が、分極反転により非反転領域の場合と逆向きとなるため、両者の誘導位相量は減少傾向を示す。なお、図中の点線は、反転領域を設けない場合の誘導位相量の変化状態を示すものである。

反転領域における誘導位相量の変化を見ると、低周波においては、作用長に比例する減少傾向を示すのに対し、高周波は緩やかな減少傾向しか示さない。このため、作用長ｌｂの終端においては、低周波と高周波の誘導位相量がほぼ同じ値を示すようになる。
このように、低周波と高周波での作用位置による誘導位相量の変化の違いを利用することにより、分極反転領域における誘導位相量が、高周波より低周波側で顕著に減衰し、光周波数応答特性を平坦化し、広帯域化することができる。

次に、図４〜図９を用いて、本発明に係る光変調素子の他の実施例について説明する。
図４は、光変調素子の作用部で分極反転領域１０を利用する例である。
本発明を用いない場合には、分極反転領域は、作用部全体に広がって形成されているが、本発明では、作用部における光波の出口側に、非反転領域を設け、反転領域とは逆向きの誘導位相量変化を得るものである。誘導位相量変化の様子は、図３のグラフを上下逆向きにした傾向を示すが、最終的には、図３と同様に、低周波と高周波の誘導位相量を一致させることが可能となる。なお、図４の場合には、上述した式（１）〜（３）は、反転領域の長さをｌａ、非反転領域の長さをｌｂとして算出される。

図５は、図１の分極反転領域６を、複数に分割した分極反転領域１１としたものである。この場合においても、分極反転領域１１を光波が通過するたびに高周波と低周波との誘導位相量の差が減少してくるため、光周波数応答特性の平坦化を実現することが可能となる。このように複数に分割することにより、単に2分割する場合よりも、より精密に平坦化を実現することができる。
なお、分極反転領域１１に関しては、周期的な分極反転を形成すると波長変換素子の機能が付加されることとなるため、非周期的な形状・配置とすることが好ましい。

図６は、マッハツェンダ型の光導波路２０を有する光変調素子に本発明を適用する例である。２１は、マッハツェンダ型光導波路２０の一方の分岐光導波路を変調制御するための信号電極を示す。
この場合においても、作用部における光波の出口側に、図１と同様に分極反転領域を形成することにより、該作用部における光変調の周波数応答特性を平坦化でき、光変調素子全体での周波数特性を改善することが可能となる。

図７は、マッハツェンダ型光導波路２０を有する光変調素子において、電気信号を一つの信号電極２３の端部から入力し、該信号電極を途中で２つに分岐することにより、各分岐光導波路を伝播する光波の変調を行うものである。通常は、分岐光導波路には、逆位相の電気信号を印加する必要があるが、図７の場合には、一方の分岐光導波路に係る作用部を分極反転することにより、２つの分極光導波路に同相の電気信号を印加しても光変調が可能なように設定されている。
このような光変調素子においても、図４の実施例と同様に、分極反転した作用部における光波の出口側において、非反転領域を形成することにより、該作用部における周波数応答特性を平坦化することが可能となる。

図８は、マッハツェンダ型光導波路２０を有する光変調素子において、各分岐光導波路に、独立した信号電極２５，２６を配置するものである。
この場合では、図１及び図６と同様に、各作用部における光波の出口側に、分極反転領域２７を形成し、各作用部における周波数応答特性を平坦化するものである。
このような平坦化手段は一方の分岐光導波路のみに形成することも可能であるが、２つの分岐光導波路に均等に形成することで、各分岐光導波路の誘導位相量を等しくし、チャープの発生を抑制することが可能となる。

図９は、図７と同様に、一つの信号電極２３の端部から電気信号を入力するものであり、図８と同様に、各分岐光導波路における誘導位相量を等しくするため、反転領域２８において光変調を行う作用部には非反転領域を、非反転領域において光変調を行う作用部には反転領域２９を、各々の作用部における光波の出口側に形成するものである。
この構成により、周波数応答特性を平坦化すると共に、ゼロチャープ動作が可能な光変調素子を提供することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、光変調素子の周波数応答特性を平坦化すると共に、製造の容易性や低コスト化を実現する光変調素子が提供可能となる。

本発明に係る光変調素子の第１の実施例を示す図である。 図１の光変調素子における誘導位相量の周波数依存性の変化を示すグラフである。 図１の光変調素子における誘導位相量と作用長との関係を示すグラフである。 本発明に係る光変調素子の第２の実施例を示す図である。 本発明に係る光変調素子の第３の実施例を示す図である。 本発明に係る光変調素子の第４の実施例を示す図である。 本発明に係る光変調素子の第５の実施例を示す図である。 本発明に係る光変調素子の第６の実施例を示す図である。 本発明に係る光変調素子の第７の実施例を示す図である。

符号の説明

１ 電気光学効果を有する基板
２，２０ 光導波路
３，２１，２３，２５，２６ 信号電極
４ 駆動用ドライバ
６,１０,１１，２２，２４，２７，２８，２９ 分極反転領域
７ 入射光波
８ 出射光波

Claims (2)

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、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御用電極とを有する光変調素子において、
   該制御用電極により該光導波路を伝搬する光波を変調制御する作用部に、該作用部を光波の進行方向に向かって分極の非反転領域及び反転領域の順に、分極反転領域を形成し、次式（１）で算出される誘導位相量Ｈ（ｆ）の周波数特性が平坦化するように、分極反転領域の長さ１ｂが調整されていることを特徴とする光変調素子。
   Ｈ（ｆ）＝Ｈａ（ｆ）−Ｈｂ（ｆ） ・・・・（１）
   ただし、Ｈａ（ｆ）は次式（２）のｌに非反転領域の長さｌａを、またＨｂ（ｆ）は次式のｌに反転領域の長さｌｂとｌａとの和を代入して得られたものである。
   Ｈ（ｆ）＝exp（−αｌ／2）SQRT［｛sinh ² （αｌ／2）＋sin ² （ξｌ／2）｝／｛（αｌ） ² ＋(ξｌ／2） ² ｝］ ・・・・（２）
   なお、ξは２πｆ（ｎ _ｅ −ｎ _ｍ ）／ｃを示し、ξに含まれるｎｅは導波路の屈折率、ｎｍはマイクロ波の屈折率、ｃは光速を示す。
   また、αは減衰定数であり、周波数をｆ、導体損α _ｃ 、誘電体損α _ｄ とすると、次式（３）で得られる。
   α＝α _ｃ √ｆ＋α _ｄ ・ｆ ・・・・（３）
2. 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、該光導波路を伝搬する光波を変調制御するための制御用電極とを有する光変調素子において、
   該制御用電極により該光導波路を伝搬する光波を変調制御する作用部に、該作用部を光波の進行方向に向かって分極の反転領域及び非反転領域の順に、分極反転領域を形成し、次式（１）で算出される誘導位相量Ｈ（ｆ）の周波数特性が平坦化するように、非分極反転領域の長さ１ｂが調整されていることを特徴とする光変調素子。
   Ｈ（ｆ）＝Ｈａ（ｆ）−Ｈｂ（ｆ） ・・・・（１）
   ただし、Ｈａ（ｆ）は次式（２）のｌに反転領域の長さｌａを、またＨｂ（ｆ）は次式のｌに非反転領域の長さｌｂとｌａとの和を代入して得られたものである。
   Ｈ（ｆ）＝exp（−αｌ／2）SQRT［｛sinh ² （αｌ／2）＋sin ² （ξｌ／2）｝／｛（αｌ） ² ＋(ξｌ／2） ² ｝］ ・・・・（２）
   なお、ξは２πｆ（ｎ _ｅ −ｎ _ｍ ）／ｃを示し、ξに含まれるｎｅは導波路の屈折率、ｎｍはマイクロ波の屈折率、ｃは光速を示す。
   また、αは減衰定数であり、周波数をｆ、導体損α _ｃ 、誘電体損α _ｄ とすると、次式（３）で得られる。
   α＝α _ｃ √ｆ＋α _ｄ ・ｆ ・・・・（３）

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