JP4429711B2 - 光変調器 - Google Patents

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Description

本発明は光通信で用いられる光導波路デバイスに関し、特に、マッハツェンダ型の光変調器に関する。
例えば、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(LiTaO2)などの電気光学結晶を用いた光導波路デバイスは、結晶基板上の一部に金属膜を形成して熱拡散させるか、或いは、パターニング後に安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路を形成した後、その光導波路の近傍に電極を設けることで形成される。このような電気光学結晶を用いた光導波路デバイスの1つとして、分岐干渉型の光導波路構造を有するマッハツェンダ型光変調器が知られている。
図8は、Z−カットのニオブ酸リチウム基板を用いて構成されたマッハツェンダ型光変調器の従来例を示す斜視図である。この従来のマッハツェンダ型光変調器においては、基板101上にチタン(Ti)膜を形成し、それをマッハツェンダ型の形状にパターニングした後に1050℃で7〜10時間加熱して熱拡散させることによって、光導波路110が形成される。この光導波路110は、入射導波路111、分岐部112、平行導波路113A,113B、合波部114および出射導波路115からなり、平行導波路113A,113Bに沿って、信号電極121および設置電極122からなるコプレーナ電極120が設けられる。Z−カットの基板101を用いる場合には、Z方向の電界による屈折率の変化を利用するため、光導波路113Aの真上に信号電極121が配置される。また、信号電極121および接地電極122は、平行導波路113A,113B中を伝搬する光の吸収を防ぐために、厚さが0.2〜1μmのSiO2からなる図示しないバッファ層を介して基板101上に形成されている。
このような従来のマッハツェンダ型光変調器を高速で駆動する場合は、信号電極121の一端を図示しない抵抗を介して接地して進行波電極とし、信号電極121の他端からマイクロ波等の高周波の電気信号Sを印加する。このとき、信号電極121と接地電極122の間で発生する電界Eによって、平行導波路113A,113Bの屈折率がそれぞれ変化するため、平行導波路113A,113Bを伝搬する各光の位相差が変化して、強度変調された信号光L’が出射導波路115から出力されるようになる。
上記のようなマッハツェンダ型光変調器については、信号電極121の断面形状を変化させてマイクロ波の実行屈折率を制御し、光とマイクロ波の伝搬速度を整合させることによって、広帯域の光応答特性が得られることが知られている。また、基板101の裏面(光導波路110および電極120が形成された表面に対向する面)や、平行導波路113A,113Bに沿った基板101の側面などに接地電極を設けることで、信号電極121に印加される電気信号Sの伝搬特性の安定化等を図る技術が提案されている(例えば、特許文献1〜4参照)。
特開平10−239648号公報 特開2003−75790号公報 特表平5−509415号公報 特開平7−64030号公報
ところで、前述の図8に示したような従来のマッハツェンダ型光変調器については、信号電極121に対して例えば40Gb/s等の高速な電気信号Sを印加した場合に、光応答特性が劣化してしまうという問題がある。すなわち、40Gb/s等の電気信号Sを信号電極121に印加すると、ある周波数成分が基板101内で共振することが主な原因となって、図9に例示するように信号電極121を伝搬する電気信号Sの周波数特性(S21)にディップが発生するようになる。このようなディップの発生により、当該周波数に対応した特定のパターンを有するデータ信号に対して光導波路110を伝搬する光信号の損失が大きくなり、光応答特性が劣化してしまう。
また、基板101の裏面や側面に接地電極を設けて高周波の電気信号Sの伝搬特性を改善させるようにした場合には、次のような製造上の問題点が生じる。すなわち、基板101の裏面に接地電極を設けた場合、裏面からの外観検査が困難になるという欠点がある。具体的には、通常、基板101の表面に形成される光導波路110やコプレーナ電極120の位置ずれは、基板101の裏面側からの外観検査によって確認される場合が多いが、基板101の裏面全体若しくは一部に電極が形成されていると表面側の状態が見えなくなるため、上記のような外観検査が難しくなってしまう。
また、基板101の裏面や側面に形成した電極を確実に接地された状態とするためには、例えば、表面の接地電極122から側面および裏面にかけて連続的に金属膜を形成することが必要になるが、基板101の角の付近は形成した金属膜が剥離し易くなるので、基板101の歩留まり率や信頼性の低下を招いてしまうという欠点もある。基板101の実装される筐体の内面にはんだ付け等することによって基板101の裏面や側面の電極を接地する構成もあるが、一般に実装される基板101と筐体の隙間は非常に狭く、はんだ付け等の作業を行うことは容易ではないので、実装後の基板101の接地状態の再現性が悪いという問題がある。
本発明は上記の点に着目してなされたもので、信号電極に高周波の電気信号を印加しても良好な光応答特性を得ることができ、優れた生産性および信頼性を備えたマッハツェンダ型の光変調器を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため本発明の光変調器は、電気光学効果を有する基板の表面にマッハツェンダ干渉計の構造を有する光導波路を形成し、該光導波路の分岐部および合波部の間に位置する一対の平行導波路に沿って信号電極および接地電極を設け、前記信号電極に電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する光の変調を行うマッハツェンダ型の光変調器であって、前記基板の表面に略垂直な側面のうちの前記平行導波路に沿った少なくとも1つの側面に、導電性を有する材料を用いて形成したフローティング電極を備え、さらに、前記フローティング電極は、前記基板の側面上において、前記基板の表面および裏面からそれぞれ所定の距離までの範囲を除いた中間部分に形成されるものである。
かかる構成の光変調器では、基板の側面にフローティング電極を設けたことによって、信号電極に高周波の電気信号を印加したときにでも、特定の周波数成分が基板内で共振するような現象が抑えられ、従来のような特定の周波数におけるディップの発生が回避されるようになる。また、基板の裏面には電極が形成されないので、基板表面に形成された光導波路や電極の位置ずれを裏面側からの外観検査によって確認することができる。さらに、フローティング電極が中間部分に形成されることにより剥離し難くなる。
また上記のフローティング電極は、電気信号が印加される信号電極のパッド部に近接する基板の側面上において、パッド部の中心から所定の距離までの範囲を除いた残りの部分に形成されるようにするのが好ましい。このような構成により、信号電極のパッド部に印加される電気信号の反射が抑えられるようになる。
加えて、上記のフローティング電極は、チタンおよび金のうちの少なくとも1つを用いて形成されるようにするのがよい。このような材料を用いてフローティング電極を形成することで、基板の側面に対する密着性が向上するようになる。
また、上記の光変調器については、基板の側面上に形成されたシリコン膜を備えるようにしてもよい。これにより、光変調器の温度特性が安定なものになる。
上記のように本発明の光変調器によれば、平行導波路に沿った基板の側面にフローティング電極を設けたことによって、信号電極に高周波の電気信号を印加しても良好な光応答特性を得ることができると共に、フローティング電極が中間部分に形成されることで剥離し難くできるので、生産性および信頼性の向上を図ることが可能になる。
以下、本発明の光変調器を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図1は、本発明の一実施形態によるマッハツェンダ型光変調器の構成を示す斜視図である。また、図2は、図1のA−A断面を示す図である。
図1および図2において、本光変調器は、例えば、電気光学効果を有する基板1と、その基板1の表面に形成された分岐干渉型の光導波路10と、基板1の表面にバッファ層41を介して形成されたコプレーナ(CPW)電極20と、基板1の側面1A,1Bにシリコン(Si)膜42を介して形成されたフローティング電極30A,30Bと、を備えて構成される。
基板1は、例えば、Z−カットのニオブ酸リチウム(LiNbO3;LN)基板等が使用される。なお、ここではZ−カットの基板を用いる場合について説明するが、本発明はこれに限らず、X−カットの基板を使用することもできる。また、基板材料についてもニオブ酸リチウムに限定されるものではなく、例えばタンタル酸リチウム(LiTaO2)などのような電気光学効果を有する公知の材料を利用することが可能である。
光導波路10は、前述の図8に示した従来の構成の場合と同様に、入射導波路11、分岐部12、平行導波路13A,13B、合波部14および出射導波路15を有し、マッハツェンダ干渉計を構成する。この光導波路10は、チタン(Ti)拡散またはプロトン交換などの公知の処理を施すことにより、基板1の−Z面に形成される。入射導波路11の光入射端(図1で左側に位置する一端)および出射導波路15の光出射端(図1で右側に位置する一端)は、それぞれ基板1の対向する側面に達している。なお、ここでは図2に示すように、光導波路10の断面形状を半円形としているが、本発明における光導波路の断面形状は上記の一例に限定されるものではない。
コプレーナ電極20は、前述の図8に示した従来の構成の場合と同様に、信号電極21および接地電極22を有する。具体的に、信号電極21は、光導波路10の一方の平行導波路13A上を通り、その両端が基板1の図1で手前側の側面1A近傍に形成したパッド部21A、21Bに繋がるようにパターニングされている。一方、接地電極22は、信号電極21とは一定の距離を隔てて、基板1の他方の平行導波路13B上を通るようにパターニングされている。上記の信号電極21は、図1の右側に位置するパッド部21Bがここでは図示しないが抵抗を介して接地されることにより進行波電極とされ、変調データに対応した高周波の電気信号Sが図1の左側に位置するパッド部21Aから印加される。信号電極21と接地電極22の間隔および電極厚は、光応答3dB帯域が所定の周波数以上(例えば、40Gb/sの光変調を行う場合において30GHz以上など)となるように予め設計されている。
なお、コプレーナ電極20と基板1の表面との間に形成されるバッファ層41は、光導波路10中を伝搬する光がコプレーナ電極20によって吸収されるのを防ぐためのものであり、具体的には、厚さ0.2〜1μmのSiO2などを用いることが可能である。
フローティング電極30A,30Bは、基板1の表面に略垂直な側面のうちの平行導波路13A,13Bに沿った側面1A,1Bに導電性を有する膜を形成したものである。このフローティング電極30A,30Bは、具体的には、基板1への密着性に優れた例えばチタン(Ti)または金(Au)等からなる金属膜を基板1の各側面1A,1Bに1000Å程度の厚さで製膜するのが好ましい。ただし、本発明のフローティング電極に用いられる材料は、上記の具体例に限定されるものではなく、導電性を有する任意の材料を使用することが可能である。また、上記のフローティング電極30A,30Bは、基板1からの膜の剥離を防ぐために、基板1の角の付近、具体的には基板1の上記側面のうちの表面および裏面からそれぞれ略100μmまでの範囲に対しては製膜を行わずに、残りの中間部分に電極が形成されるようにするのがよい。さらに、信号電極21のパッド部21A,21Bに近接する側面1Aについては、信号電極21に印加される電気信号Sの入力部における反射を抑えるために、各パッド部21A,21Bの中心からそれぞれ略0.5mmの範囲にはフローティング電極30Aを形成しないようにするのが望ましい。一方、上記の側面1Aに対向する側面1Bに関しては、高周波電気信号Sの反射に影響を及ぼさないので、基板1の角の付近を除いた全ての範囲に亘ってフローティング電極30Bを形成してもよい。
なお、フローティング電極30A,30Bと基板1の各側面1A,1Bとの間に形成されるSi膜42は、光変調器の温度特性を安定化させるためのものである。ここでは、基板1とフローティング電極30A,30Bの間にSi膜を形成するようにしているが、例えば図3に示すように、フローティング電極30A,30Bの上層にSi膜42を形成することも可能である。フローティング電極およびSi膜の製膜の順番は、基板1に対する密着性が良くなるように適宜に決めるようにすればよい。
上記のような構成の光変調器では、外部から入射導波路11に与えられた連続光Lが分岐部12で2分岐されて各平行導波路13A,13Bにそれぞれ送られる。各平行導波路13A,13Bには、パッド部21Aに与えられ信号電極21を進行する例えば40Gb/s等の電気信号Sに応じて信号電極21と接地電極22の間で発生する電界Eが印加され、この電界Eによる電気光学効果によって各平行導波路13A,13Bの屈折率が変化する。これにより、各平行導波路13A,13Bを伝搬する各々の光の位相がそれぞれ変化するようになる。そして、各平行導波路13A,13Bを伝搬した光が合波部14で合波されることにより、40Gb/s等のビットレートで変調された光信号L’が出射導波路15を通って外部に出射されるようになる。
上記のような光変調動作において、信号電極21を伝搬する電気信号Sの周波数特性(S21)は、基板1の側面1A,1Bにフローティング電極30A,30Bを設けたことによって基板1内での特定の周波数成分の共振現象が抑えられるようになり、例えば図4に示すように、従来のような特定の周波数におけるディップの発生が回避される。これにより、40Gb/s等の高速なビットレートに対しても良好な光応答特性を得ることが可能になる。
また、本光変調器は、基板1の裏面に電極が形成されていないため、光導波路10やコプレーナ電極20の位置ずれを裏面側からの外観検査によって容易に確認することができるようになる。さらに、基板1の側面1A,1Bに形成されるフローティング電極30A,30Bは、従来のような接地された電極とは異なり、基板1表面の接地電極22から連続的に形成する必要がないため、電極の剥離し易い基板1の角の部分を除いて製膜を行うことができる。これにより、基板1の歩留まり率や信頼性の向上を図ることも可能になる。加えて、図示しない筐体への基板1の実装に関しても、従来のように基板側面の電極を筐体の内面にはんだ付け等する必要がないので、基板1を筐体に再現性よく実装することが可能である。
なお、上記の実施形態では、平行導波路13A,13Bに沿った側面1A,1Bの両方にフローティング電極を形成するようにしたが、例えば図5の断面図に示すように一方の側面1A(または側面1B)にだけフローティング電極を設けるようにしても、ディップの発生を抑える効果を得ることができる。また、平行導波路13A,13Bのうちの片方の導波路13Aに沿って信号電極21を設けた所謂シングルドライブの構成を示したが、本発明の効果は基板1の表面内における信号電極の位置に依存しないため、例えば、各々の平行導波路13A,13Bに沿って信号電極をそれぞれ設けた所謂デュアルドライブの構成にも応用することが可能である。
さらに、信号電極21のパッド部21A,21Bに近接する側面1Aについて、各パッド部21A,21Bの中心から所定の範囲にはフローティング電極30Aを形成しないようにしたが、基板1の角の付近(例えば、表面から略100μmの範囲)にフローティング電極を形成しないようにしたことで、フローティング電極による電気信号Sの反射が特に問題とならない場合もある。このような場合には、例えば図6に示すように、基板1の側面1Aについて、基板1の角の付近を除いた全ての範囲に亘ってフローティング電極30Aを形成するようにしてもよい。
加えて、上記の実施形態では1段構成のマッハツェンダ型光変調器について説明したが、例えば図7に示すように、2段以上の構成のマッハツェンダ型光変調器に本発明を応用することも可能である。具体的に、図7の一例では、上述の図1に示した構成が同一基板1上で2段直列に接続されることにより1つの光変調器が構成されている。この2段構成のマッハツェンダ型光変調器に対しては、例えば、前段の信号電極21に印加する電気信号Sとしてクロック信号を使用し、後段の信号電極21’に印加する電気信号S’としてデータ信号を使用することにより、RZフォーマット等に従って変調された光信号L’が生成されるようになる。上記のような2段構成のマッハツェンダ型光変調器についても、基板1の光導波路に沿った側面の少なくとも一方にフローティング電極を設けることで、上述した1段構成の場合と同様の効果を得ることができる。
以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。
(付記1)電気光学効果を有する基板の表面にマッハツェンダ干渉計の構造を有する光導波路を形成し、該光導波路の分岐部および合波部の間に位置する一対の平行導波路に沿って信号電極および接地電極を設け、前記信号電極に電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する光の変調を行うマッハツェンダ型の光変調器であって、
前記基板の表面に略垂直な側面のうちの前記平行導波路に沿った少なくとも1つの側面に、導電性を有する材料を用いて形成したフローティング電極を備えて構成されたことを特徴とする光変調器。
(付記2)付記1に記載の光変調器であって、
前記フローティング電極は、前記基板の側面上において、前記基板の表面および裏面からそれぞれ所定の距離までの範囲を除いた中間部分に形成されたことを特徴とする光変調器。
(付記3)付記1に記載の光変調器であって、
前記フローティング電極は、前記電気信号が印加される前記信号電極のパッド部に近接する前記基板の側面上において、前記パッド部の中心から所定の距離までの範囲を除いた残りの部分に形成されたことを特徴とする光変調器。
(付記4)付記1に記載の光変調器であって、
前記フローティング電極は、チタンおよび金のうちの少なくとも1つを用いて形成されたことを特徴とする光変調器。
(付記5)付記1に記載の光変調器であって、
前記基板は、ニオブ酸リチウム基板であることを特徴とする光変調器。
(付記6)付記1に記載の光変調器であって、
前記信号電極は、前記一対の平行導波路のうちの片方の導波路に沿って設けられたことを特徴とする光変調器。
(付記7)付記1に記載の光変調器であって、
前記信号電極は、前記一対の平行導波路のうちの両方の導波路に沿って設けられたことを特徴とする光変調器。
(付記8)付記1に記載の光変調器であって、
前記基板の側面上に形成されたシリコン膜を備えたことを特徴とする光変調器。
(付記9)付記8に記載の光変調器であって、
前記シリコン膜は、前記基板の側面と前記フローティング電極の間に位置することを特徴とする光変調器。
(付記10)付記8に記載の光変調器であって、
前記シリコン膜は、前記フローティング電極の上層に位置することを特徴とする光変調器。
(付記11)付記1に記載の光変調器を1つの単位構成として、複数の単位構成を直列に接続して構成したことを特徴とする光変調器。
本発明の一実施形態によるマッハツェンダ型光変調器の構成を示す斜視図である。 図1のA−A断面を示す図である。 上記の実施形態についてフローティング電極の上層にSi膜を形成するようにした他の構成例を示す断面図である。 上記の実施形態において信号電極を伝搬する電気信号の周波数特性を示す図である。 上記の実施形態に関連して、基板の一方の側面にだけフローティング電極を設けるようにした他の構成例を示す断面図である。 上記の実施形態に関連して、信号電極のパッド部に近接する側面のエッジ付近を除いた全ての範囲にフローティング電極を形成するようにした他の構成例を示す斜視図である。 上記の実施形態に関連して、2段構成のマッハツェンダ型光変調器に応用した場合の構成例を示す斜視図である。 従来のマッハツェンダ型光変調器の構成例を示す斜視図である。 従来のマッハツェンダ型光変調器において信号電極を伝搬する電気信号の周波数特性の一例を示す図である。
符号の説明
1…基板
1A,1B…側面
10…光導波路
11…入射導波路
12…分岐部
13A、13B…平行導波路
14…合波部
15…出射導波路
20…コプレーナ電極
21…信号電極
21A,21B…パッド部
22…接地電極
30A,30B…フローティング電極
41…バッファ層
42…シリコン層

Claims (4)

  1. 電気光学効果を有する基板の表面にマッハツェンダ干渉計の構造を有する光導波路を形成し、該光導波路の分岐部および合波部の間に位置する一対の平行導波路に沿って信号電極および接地電極を設け、前記信号電極に電気信号を印加することにより前記光導波路を伝搬する光の変調を行うマッハツェンダ型の光変調器であって、
    前記基板の表面に略垂直な側面のうちの前記平行導波路に沿った少なくとも1つの側面に、導電性を有する材料を用いて形成したフローティング電極を備え、さらに、
    前記フローティング電極は、前記基板の側面上において、前記基板の表面および裏面からそれぞれ所定の距離までの範囲を除いた中間部分に形成されたことを特徴とする光変調器。
  2. 前記フローティング電極は、前記電気信号が印加される前記信号電極のパッド部に近接する前記基板の側面上において、前記パッド部の中心から所定の距離までの範囲を除いた残りの部分に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
  3. 前記フローティング電極は、チタンおよび金のうちの少なくとも1つを用いて形成されたことを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
  4. 前記基板の側面上に形成されたシリコン膜を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光変調器。
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