JP4130576B2 - 導波路型光デバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は導波路型光変調器等の導波路型光デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、LiNbO3及びLiTaO2等の電気光学効果を呈する導波路基板に比較的高屈折率なコア部を形成し、コア部に電界を印可するための電極を導波路基板上に形成してなる導波路型光デバイスが知られている。パターニング技術により直線状のコア部を形成すれば導波路型位相変調器が得られるし、マッハツェンダ干渉計として機能するようにコア部の形状を工夫すれば導波路型強度変調器が得られる。
【0003】
マッハツェンダ型の強度変調器では、コア部は、一定強度の光が入力される入力導波路と、入力導波路の先端から2分岐するように形成された第1及び第2の平行導波路と、第1及び第2の平行導波路が合流する出力導波路とを含む。第1及び第2の平行導波路上にはそれぞれ第1及び第2の電極が形成されている。
【0004】
第1及び第2の電極の間に予め定められた大きさの電圧を印可することによって、第1及び第2の平行導波路には互いに逆向きの電界が与えられ、第1及び第2の平行導波路の一方の屈折率が高くなると共に他方の屈折率が低くなる。その結果、第1及び第2の平行導波路に導波される光には位相差が生じ、位相差が生じた2つの光が出力導波路で合流するときに、位相差に応じた強度の出力光が得られることとなる。例えば、バイナリ入力信号の2値に対応させて位相差が零及びπになるような設定により、効率の良い強度変調を行うことができる。
【0005】
変調信号がマイクロ波の領域にあるような高速変調に上述のマッハツェンダ型変調器を適用する場合、第1及び第2の電極は進行波型に構成される。即ち、第1及び第2の電極の一方を接地電極、他方を信号電極とし、これらの一端側を抵抗器で終端して他端側からマイクロ波としての変調信号を入力する。
【0006】
電極の断面形状等を変化させることによりマイクロ波の実効屈折率を調節することができるので、光とマイクロ波の速度を整合させることによって、広帯域の光応答特性を得ることができる。
【0007】
尚、関連する先行技術として、特開2001−133641号に開示されている光導波路素子がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
進行波型電極において、光とマイクロ波の速度を整合させるために電極の断面形状を最適化しようとする場合、電極の厚みを10μm以上にすることが要求されることがある。この場合、電極と導波路基板の線熱膨張率の差により温度変化があったときに生じる応力が大きくなり、動作点が不安定になったり、電極が導波路基板から剥離する等の問題が生じる。
【0009】
このように、従来技術による場合、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることは困難であるという問題があった。
【0010】
よって、本発明の目的は、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスを提供することである。本発明の他の目的は以下の説明から明らかになる。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、電気光学効果を呈する材質から形成され光を導波するコア部を有する導波路基板と、前記コア部に電界を与えるために前記導波路基板上に設けられた電極とを備え、前記電極は前記導波路基板の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する第1の部分と前記導波路基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第2の部分とを含み、前記第2の部分は、前記第1の部分より化学的安定度が高く、前記第1の部分と前記第2の部分とが交互に前記導波路基板上に積層され、各々複数の層を含み、前記第1の部分の最上層の上面は前記第2の部分の最上層で覆われ、更に、前記第2の部分は前記第1の部分の各層の前記導波路基板に対して垂直な方向における側面を覆っていることを特徴とする導波路型光デバイスが提供される。
【0012】
一般的に、導波路型光デバイスを提供するのに適切な電気光学効果を呈する導波路基板の熱膨張係数に対して、これに完全に一致する熱膨張係数を有し且つ電極を提供するのに適切な導電体を選択するのは困難である。
【0013】
本発明の構成によると、導波路基板の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する第1の部分と導波路基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第2の部分とから電極を構成しているので、電極の見かけ上の熱膨張係数を導波路基板の熱膨張係数に一致させることができ、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスの提供が可能になる。更に、第2の部分は、第1の部分より化学的安定度が高く、第1の部分と第2の部分が複数の層からなり、第2の部分は第1の部分の各層全体を取り囲んでいるので、化学的安定性を満足させることができ、電極の経時劣化を防止することができ、導波路型光デバイスの長期信頼性の確保が可能となる。
【0014】
例えば、導波路基板はLiNbO3からなり、第2の部分の材質は金であり、第1の部分の材質は銀、アルミニウム及び銅からなる群から選択される。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【0016】
図1は本発明による導波路型光デバイスの第1実施形態を示す平面図、図2はそのII−II線断面図である。ここでは、導波路型光デバイスの一例としてマッハツェンダ型光変調器が示されている。
【0017】
図1によく示されるように、この光変調器は、LiNbO3及びLiTaO2等の電気光学効果を呈する材質からなる導波路基板2と、導波路基板2の表面又は表面のごく近傍に形成されたコア部4と、コア部4に電界を加えるために導波路基板2上に形成された電極(22,24及び26)とを備えている。
【0018】
コア部4は、光入力ポート6に供給された光を伝搬させる入力導波路8と、Y分岐10にて入力導波路8に接続されY分岐10で2等分された光を伝搬させる平行導波路12及び14と、平行導波路12及び14にY分岐16にて接続されY分岐16で合流された平行導波路12及び14からの光を伝搬させる出力導波路18とを含む。出力導波路18の出力端がこの光変調器の出力ポート20となる。
【0019】
平行導波路12上には信号電極22が設けられており、平行導波路14上には接地電極24が設けられている。また、信号電極22の接地電極24と反対の側にはもう一つの接地電極26が設けられている。信号電極12の一端には入力端子28からの変調信号としてのマイクロ波が供給され、信号電極12の他端は抵抗器30により終端されている。
【0020】
図2に示されるように、コア部4(図示された範囲では平行導波路12及び14)は、導波路基板2の表面近傍の部分を部分的に高屈折率にして形成されている。例えば、z−cutのLiNbO3からなる導波路基板2の表面にTi(チタン)拡散あるいはプロトン交換により高屈折率部を形成することによって、コア部4を得ることができる。
【0021】
導波路基板2上には、SiO2等からなる誘電体層(バッファ層)32が形成されている。誘電体層32を設けているのは、これが無い場合にコア部4を伝搬する光が金属電極に吸収されて損失が大きくなるからであり、誘電体層32の厚みは例えば0.2〜1.0μmである。
【0022】
誘電体層32上には、接地電極26、信号電極22及び接地電極24を形成すべき位置に誘電体層32との密着性を良好にするために例えばTiからなる金属層34,36及び38がそれぞれ形成されている。そして、金属層34,36及び38上に蒸着やメッキにより多層構造の接地電極26、信号電極22及び接地電極24がそれぞれ形成されている。金属層34,36及び38の材質としてはCrを用いることもできる。
【0023】
この実施形態では、接地電極26、信号電極22及び接地電極24の各々は、Ag(銀)層及びAu(金)層をこの順に導波路基板2側から積層して構成されている。Ag層及びAu層を合わせた厚みは、進行波型における光とマイクロ波の速度整合を図るために、例えば数10μmに設定され、厚みの比は熱膨張係数に応じて設定される。具体的には次の通りである。
【0024】
導波路基板2の材質としてのLiNbO3の熱膨張係数は15.4×10-6℃―1である。この熱膨張係数に完全に一致する同係数を有し且つ電極に適した金属材料を探すのは困難である。そこで、この実施形態では、LiNbO3の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数(14.1×10-6℃-1)を有するAu層とLiNbO3の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数(19.2×10-6℃-1)を有するAg層とを積層することにより、電極全体の見かけ上の熱膨張係数を導波路基板2の熱膨張係数に一致させているのである。
【0025】
これにより、電極の厚みを数10μm以上の進行波型に適した所望の値に設定したとしても電極と導波路基板の熱膨張率の差に起因するトラブルが生じる恐れもなく、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスの提供が可能になる。
【0026】
尚、LiNbO3の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する金属としては、Agの他にAl(23.2×10-6℃-1)やCu(16.8×10-6℃-1)がある。
【0027】
この実施形態において、Ag層をAu層の下側に配置しているのは、電気化学的安定度が比較的低いAg層の表出面積を最小限にして、電極の化学的安定度を増すためである。
【0028】
図3は本発明による導波路型光デバイスの第2実施形態を示す断面図であり、その断面位置は図2と同様である。第1実施形態であると、信号電極22並びに接地電極24及び26の各々が実質的に2層構造であることから、バイメタル効果により、温度変化があったときに各電極が湾曲する可能性がある。そこで、この実施形態では、信号電極22並びに接地電極24及び26の各々が実質的に3層になるようにして、これを防止している。
【0029】
即ち、この実施形態では、金属層34,36及び38上にそれぞれAg層、Au層及びAg層をこの順に積層することによって、AgとAuの熱膨張係数の差に起因する電極の湾曲を防止している。
【0030】
この実施形態では、信号電極22並びに接地電極24及び26の各々を実質的に3層にして電極の湾曲を防止しているが、4層以上の構造も採用可能である。また、種々の材質を選択してこれらを積層してもよい。
【0031】
図4は本発明による導波路型光デバイスの第3実施形態を示す断面図であり、その断面位置は図2と同様である。
【0032】
この実施形態では、電気化学的安定度が比較的低いAg層の表出面積を零にして、電極の化学的安定度を増すために、信号電極22並びに接地電極24及び26の各々は、2つのAg層とこれらを囲むように形成されたAu層とから構成されている。このような多層構造の電極は、例えば、複数回にわたるパターニングにより得ることができる。
【0033】
このように、本実施形態によると、電極の表出部分が化学的に安定なAu層となるので、電極の経時劣化を防止することができ、導波路型光デバイスの長期信頼性の確保が可能になる。
【0034】
図5は本発明による導波路型光デバイスの第4実施形態を示す平面図である。この実施形態では直線状のコア部4´が設けられており、光位相変調器が提供されている。
【0035】
信号電極22はコア部4´上に設けられており、接地電極24及び26は、信号電極22と共にコア部4´に効果的に電界を印可するように配置されている。マイクロ波の変調信号とコア部4´の伝搬光の速度整合がなされるように進行波型に構成されている点は、第1実施形態と同じである。
【0036】
信号電極22と接地電極24及び26によりコア部4´に電界を印可することによりコア部4´の屈折率が変化するので、これに応じてコア部4´を伝搬する光に関して位相変調がなされる。この位相変調においても、進行波型に構成された電極の断面形状が高速応答性に影響を与える点はこれまでの実施形態と同じであり、従って、本発明により特定構成の電極構造、例えば図2乃至図4に示された電極断面形状を採用することによって、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスの提供が可能になる。
【0037】
尚、本発明を実施する場合の電極の厚みの目安であるが、適用される変調信号の周波数(ビットレート)、例えば10GHzにおけるマイクロ波の表皮厚よりも電極の厚みを大きくすることが、高速動作性を確保する上で有効である。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスの提供が可能になるという効果が生じる。本発明の特定の実施形態により得られる効果については、以上説明した通りであるので、その説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明による導波路型光デバイスの第1実施形態を示す平面図である。
【図2】図2は図1に示される導波路型光デバイスのII−II線に沿った断面図である。
【図3】図3は本発明による導波路型光デバイスの第2実施形態を示す断面図である。
【図4】図4は本発明による導波路形光デバイスの第3実施形態を示す断面図である。
【図5】図5は本発明による導波路型光デバイスの第4実施形態を示す平面図である。
【符号の説明】
2 導波路基板
4,4´ コア部
6 入力ポート
8 入力導波路
10,16 Y分岐
12,14 平行導波路
18 出力導波路
20 出力導波路
22 信号電極
24,26 接地電極
Claims (3)
- 電気光学効果を呈する材質から形成され光を導波するコア部を有する導波路基板と、
前記コア部に電界を与えるために前記導波路基板上に設けられた電極とを備え、
前記電極は前記導波路基板の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する第1の部分と前記導波路基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第2の部分とを含み、
前記第2の部分は、前記第1の部分より化学的安定度が高く、前記第1の部分と前記第2の部分とが交互に前記導波路基板上に積層され、各々複数の層を含み、前記第1の部分の最上層の上面は前記第2の部分の最上層で覆われ、更に、前記第2の部分は前記第1の部分の各層の前記導波路基板に対して垂直な方向における側面を覆っていることを特徴とする導波路型光デバイス。 - 前記第1及び第2の部分は前記導波路基板上に積層されていることを特徴とする請求項1記載の導波路型光デバイス。
- 前記導波路基板はLiNbO3からなり、前記第2の部分の材質は金であり、前記第1の部分の材質は銀、アルミニウム及び銅からなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の導波路型光デバイス。
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