JP4544479B2 - 光導波路型変調器 - Google Patents
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Description
本発明は、光導波路型変調器に関し、特に、Ｚカット型基板上にマッハツエンダー型光導波路部分を有する光導波路と該光導波路内を導波する光波を変調するための変調用電極とを形成した光導波路型変調器に関する。
近年、光通信分野や光計測分野において、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光導波路型変調器が利用されている。
光導波路型変調器の多くは、マッハツェンダー型光導波路が利用され、特に、基板に印加する電界に対し最も効率的に電気光学効果が発現する方向が基板の厚さ方向（光導波路を形成した基板面に垂直な方向）である、所謂、Ｚカット型基板を用いる場合には、マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路に沿って（導波路の上又はバッファ層を挟んで導波路の上に）信号電極や接地電極が配置されている。
光導波路型変調器の多くは、マッハツェンダー型光導波路が利用され、特に、基板に印加する電界に対し最も効率的に電気光学効果が発現する方向が基板の厚さ方向（光導波路を形成した基板面に垂直な方向）である、所謂、Ｚカット型基板を用いる場合には、マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路に沿って（導波路の上又はバッファ層を挟んで導波路の上に）信号電極や接地電極が配置されている。
他方、光導波路型変調器を駆動するための駆動電圧を低減することは、光変調器の消費電力の低減だけでなく、駆動周波数を高めるために極めて重要な課題である。特許文献１は、周波数応答特性におけるディップを抑制するため中央の接地電極１０３に開口１０４を形成する技術を開示するものであるが、特許文献１には図５又は６に示すように、分岐導波路７，８に繋がるＹ分岐部６，９の一部にまで、光導波路に沿った信号電極１０１，１０２を配置する図が描かれている。これらの図を駆動電圧の低減化の観点から見ると、Ｙ分岐部の一部まで信号電極を配置することは、光導波路に対する駆動電圧を印加する領域を長くすることとなり、結果として駆動電圧を低減することが可能となる。なお、説明を分かり易くするため、信号電極や接地電極の下側に配置されているバッファ層を省略すると共に、同様に電極の下側に配置される光導波路を、透視した状態で描写している。以下、図１乃至４についても同様である。
再公表特許ＷＯ２００４／０８６１２６号公報（図５又は６参照）
しかしながら、図５又は６に開示されているように、Ｙ分岐部の光導波路に沿って信号電極を配置しても、信号電極が光導波路から離れる際には（信号電極の取り出し部分では）、信号電極は急激に曲げられ、曲率半径が小さくなるため、電極の曲がり部で駆動信号であるマイクロ波の反射や基板内への不要な漏れが発生し、駆動信号の反射減衰量が劣化する原因となる。
本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、駆動電圧を低減すると共に、駆動信号の反射減衰量を改善した光導波路型変調器を提供することである。
請求項１に係る発明では、電気光学効果を有するＺカット型基板と、該基板上に形成されたマッハツェンダー型光導波路部分を有する光導波路と、該光導波路内を導波する光波を変調するための変調用電極とを有する光導波路型変調器において、該マッハツェンダー型光導波路部分は、２つの平行かつ直線形状を有する分岐導波路と、該分岐導波路と接続される接続点から光導波路の分岐点までを含む２つのＹ分岐部とを有し、該変調用電極は信号電極と接地電極とから構成され、該信号電極は、少なくとも一方の分岐導波路の上側に沿って配置されると共に、該信号電極が前記一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の該分岐導波路と平行な対称軸を跨いで該信号電極を取り出す構成を有し、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該信号電極を配置し、該信号電極と該Ｙ分岐部とが離れる地点でのＹ分岐部を構成する２つの導波路の該対称軸に垂直方向の間隔は、１５μｍ以上であることを特徴とする。
本発明において、「分岐導波路」とは、マッハツェンダー型光導波路の２つのＹ分岐部に挟まれた２本の光導波路部で、２本の光導波路が平行かつ各光導波路が直線形状の部分を意味する。また、「Ｙ分岐部」とは、分岐点を含み、該分岐点から分かれた２つの光導波路が両者の間隔を徐々に広げ各分岐導波路に接続されるまでの接続部分も含むものである。
請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光導波路型変調器において、前記２つの分岐導波路の上側に沿って配置される２つの信号電極を有し、一方の信号電極が一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の該対称軸を跨いで前記一方の信号電極を取り出す構成を有し、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該信号電極を配置し、他方の信号電極は他方の分岐導波路に繋がる同一のＹ分岐部に沿わずに配置されることを特徴とする。
請求項３に係る発明では、請求項２に記載の光導波路型変調器において、前記２つの信号電極の少なくとも一方には、変調信号を遅延調整するための湾曲部が形成されていることを特徴とする。
請求項４に係る発明では、請求項２又は３に記載の光導波路型変調器において、前記２つの信号電極は、共に同じ全長を有することを特徴とする。
請求項５に係る発明では、請求項１に記載の光導波路型変調器において、前記２つの分岐導波路の一方に信号電極を、他方に接地電極を配置すると共に、該信号電極が前記一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸を跨いで該信号電極を取り出す構成を有し、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該信号電極を配置し、前記他方の分岐導波路に繋がる同一のＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該接地電極を配置することを特徴とする。
請求項１に係る発明により、信号電極が一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の分岐導波路と平行な対称軸を跨いで該信号電極を取り出す構成を有し、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の接続点から分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該信号電極を配置するため、Ｙ分岐部においても信号電極を取り出す方向に信号電極を曲げながら光導波路内を導波する光波を変調することができ、変調作用が及ぶ光導波路（「作用部」という）の長さがより長くなり、光導波路型変調器の駆動電圧を低減することが可能となる。しかも、信号電極を取り出す方向に曲げているため、曲率を急激に小さくする必要が無く反射減衰量の劣化を抑制できる。
なお、より好ましくは、信号電極が一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の該対称軸を跨がずに該信号電極を取り出す場合には、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部に沿わずに該信号電極を配置する。これにより、信号電極を取り出す際の曲率をより小さくする必要が無く反射減衰量の劣化を抑制できる。特に、特許文献１のように、Ｙ分岐部の一部に沿って信号電極を配置した後、マッハツェンダー型光導波路部分の対称軸を跨がずに該信号電極を取り出すためには、極めて小さな曲率を伴うが、本発明によればそのような不具合を生じない。
さらに、請求項１に係る発明により、信号電極がＹ分岐部の一部に沿って配置される場合に、該信号電極と該Ｙ分岐部とが離れる地点でのＹ分岐部を構成する２つの導波路の該対称軸に垂直方向の間隔は、１５μｍ以上であるため、信号電極が形成する電界が２つの導波路に影響を及ぼすことにより発生する導波路間のクロストークを抑制することが可能となる。
請求項２に係る発明により、２つの分岐導波路の上側に沿って配置される２つの信号電極を有し、一方の信号電極が一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の前記対称軸を跨いで前記一方の信号電極を取り出す構成を有し、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の前記接続点から前記分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該信号電極を配置し、他方の信号電極は他方の分岐導波路に繋がる同一のＹ分岐部に沿わずに配置されるため、２つの信号電極を用いる光導波路型変調器に対しても、駆動電圧を低減し、駆動信号の反射減衰量を改善することが可能となる。
請求項３に係る発明により、２つの信号電極の少なくとも一方には、変調信号を遅延調整するための湾曲部が形成されているため、２つの信号電極による光導波路の各作用部間で、変調に係る位相や変調タイミングを調整することが可能となる。
請求項４に係る発明により、２つの信号電極は、共に同じ全長を有するため、２つの信号電極の間で、信号電極に印加される変調信号の減衰量を同じくでき、また、信号電極に係るインピーダンスも同じに調整することが可能となる。
請求項５に係る発明により、２つの分岐導波路の一方に信号電極を、他方に接地電極を配置すると共に、該信号電極が前記一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸を跨いで該信号電極を取り出す構成を有し、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該信号電極を配置し、前記他方の分岐導波路に繋がる同一のＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該接地電極を配置するため、接地電極が形成される導波路にも通常より長く変調作用を及ぼすことが可能となり、駆動電圧をより一層低減することが可能となる。
以下、本発明に係る光導波路型変調器について、詳細に説明する。
図１及び図２に、本発明の光導波路型変調器に関する第１の実施例を示す。図２は、図１の右側のＹ分岐部を中心とした拡大図であり、説明を分かり易くするため、バッファ層や接地電極３は省略されている。
電気光学効果を有するＺカット型基板１と、該基板上に形成されたマッハツェンダー型光導波路部分を有する光導波路（５〜１０）と、該光導波路内を導波する光波を変調するための変調用電極とを有する光導波路型変調器において、該マッハツェンダー型光導波路部分は２つの分岐導波路７，８と２つのＹ分岐部６，９を有し、該変調用電極は信号電極２と接地電極３，４とから構成され、該信号電極２は、少なくとも一方の分岐導波路７に沿って配置されると共に、該信号電極が前記一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸ｄを跨いで該信号電極を取り出す領域では、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の一部に沿って該信号電極を配置し、さらに、該信号電極が前記一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸を跨がずに該信号電極を取り出す領域では、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部に沿わずに該信号電極を配置することを特徴とする。
図１及び図２に、本発明の光導波路型変調器に関する第１の実施例を示す。図２は、図１の右側のＹ分岐部を中心とした拡大図であり、説明を分かり易くするため、バッファ層や接地電極３は省略されている。
電気光学効果を有するＺカット型基板１と、該基板上に形成されたマッハツェンダー型光導波路部分を有する光導波路（５〜１０）と、該光導波路内を導波する光波を変調するための変調用電極とを有する光導波路型変調器において、該マッハツェンダー型光導波路部分は２つの分岐導波路７，８と２つのＹ分岐部６，９を有し、該変調用電極は信号電極２と接地電極３，４とから構成され、該信号電極２は、少なくとも一方の分岐導波路７に沿って配置されると共に、該信号電極が前記一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸ｄを跨いで該信号電極を取り出す領域では、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の一部に沿って該信号電極を配置し、さらに、該信号電極が前記一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸を跨がずに該信号電極を取り出す領域では、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部に沿わずに該信号電極を配置することを特徴とする。
本発明において、「分岐導波路」とは、マッハツェンダー型光導波路の２つのＹ分岐部に挟まれた２本の光導波路部７，８で、２本の光導波路が平行かつ各光導波路が直線形状の部分（図２の点ａ，ｃを含む一点鎖線の左側部分）を意味する。また、「Ｙ分岐部」とは、分岐点を含み、該分岐点から分かれた２つの光導波路が両者の間隔を徐々に広げ各分岐導波路に接続されるまでの接続部分（図２の点ａ，ｃを含む一点鎖線の右側部分で分岐点までの部分）も含むものである。
基板１は、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）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。
光導波路の形成方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。
信号電極や接地電極などの変調用電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。
信号電極や接地電極などの変調用電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。
なお、特に図示してないが、基板１と変調用電極との間にはＳｉＯ２などのバッファ層を形成することが好ましい。特に、本発明のようにＺカット型基板を用いる場合には、光導波路の上側に変調用電極を形成する必要があり、このため光導波路を伝搬する光波が変調用電極により吸収又は散乱されることを防止するため、バッファ層が形成されている。
本発明の光導波路型変調器の特徴は、図２に示すように、信号電極２が一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸ｄを跨いで該信号電極２を取り出す領域（図２の点ａの右側）では、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の一部（点ａから点ｂ，矢印Ｌで示した領域）に沿って該信号電極を配置している。このため、Ｙ分岐部においても信号電極を取り出す方向に信号電極を曲げながら光導波路内を導波する光波を変調することができ、変調作用が及ぶ光導波路（作用部）の長さが符号Ｌで示した分だけより長くなり、光導波路型変調器の駆動電圧を低減することが可能となる。しかも、信号電極２を取り出す方向（図面の下方向）に曲げているため、曲率を急激に小さくする必要が無く反射減衰量の劣化を抑制できる。
さらに、図１のように、Ｙ分岐部９の近傍で信号電極２を引き出す場合には、後述の図４に示す信号電極２２と同様に、信号電極が一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸を跨がずに該信号電極を取り出す領域では、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部に沿わずに該信号電極を配置している。このため、例えば、図５又は６の符号Ａ〜Ｄで示すように、信号電極を取り出す際の曲率を通常より小さくすることが、不要となり反射減衰量の劣化も抑制できる。
また、本発明の光導波路型変調器においては、図２に示すように、接地電極４は、他方の分岐導波路８に沿って配置されると共に、該信号電極２が前記一方の分岐導波路７から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸ｄを跨いで該信号電極を取り出す領域では、前記他方の分岐導波路８に繋がるＹ分岐部の一部（図２の点ｃの右側）に沿って該接地電極を配置している。これにより、分岐導波路を超える図２の点ｃの右側においても、導波路上に接地電極４が形成され、接地電極の下の光導波路に変調作用を及ぼすため、駆動電圧をより一層低減することが可能となる。
さらに、本発明の光導波路型変調器においては、信号電極がＹ分岐部の一部に沿って配置される領域に、該信号電極と該Ｙ分岐部とが離れる地点（図２の点ｂ）でのＹ分岐部を構成する２つの導波路の間隔Ｗは、１５μｍ以上であることを特徴とする。間隔Ｗが狭くなると、信号電極２が形成する電界が２つの導波路、つまり、Ｙ分岐部の上側の導波路（点ａから分岐点までの光導波路）だけでなくＹ分岐部の下側の導波路（点ｃから分岐点までの光導波路）にも影響を及ぼすため、２つの導波路間にクロストークが発生することとなる。図２に示すように間隔Ｗを１５μｍ以上とすることで、このクロストークを効果的に抑制することが可能となる。
次に、図３及び図４に、本発明の光導波路型変調器に関する第２の実施例を示す。なお、図４は、図３の右側のＹ分岐部を中心とする拡大図であるが、説明を分かり易くするため接地電極３１〜３３を省略している。
第２の実施例では、各分岐導波路７，８に対応して個々独立の信号電極２１，２２を配置した、所謂、デュアル式光変調器の例を示している。
第２の実施例では、各分岐導波路７，８に対応して個々独立の信号電極２１，２２を配置した、所謂、デュアル式光変調器の例を示している。
第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、電気光学効果を有するＺカット型基板１と、該基板上に形成されたマッハツェンダー型光導波路部分を有する光導波路（５〜１０）と、該光導波路内を導波する光波を変調するための変調用電極とを有する光導波路型変調器において、該マッハツェンダー型光導波路部分は２つの分岐導波路７，８と２つのＹ分岐部６，９を有し、該変調用電極は信号電極２１，２２と接地電極３１〜３３とから構成され、該信号電極２１，２２は、分岐導波路７，８に沿って配置されると共に、該信号電極２１，２２が前記分岐導波路７から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸ｄを跨いで該信号電極を取り出す領域（信号電極２１についてはＹ分岐部６の近傍，信号電極２２についてはＹ分岐部９の近傍）では、前記分岐導波路に繋がるＹ分岐部の一部に沿って該信号電極を配置し（図４の点ａから点ｂの範囲）、さらに、該信号電極２１，２２が前記分岐導波路７，８から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸ｄを跨がずに該信号電極を取り出す領域（信号電極２１についてはＹ分岐部９の近傍，信号電極２２についてはＹ分岐部６の近傍）では、前記分岐導波路に繋がるＹ分岐部に沿わずに該信号電極を配置する（図４の信号電極２２参照）ことを特徴とする。
第１の実施例の図２と同様に、第１の実施例の図４に示す、Ｙ分岐部に沿って信号電極２１が配置される領域（点ａから点ｂの範囲）の長さＬは、長い程、駆動電圧を低減することができる。また、信号電極２１とＹ分岐部とが離れる点ｂにおける導波路間隔Ｗは、クローストークを抑制するため、第１の実施例と同様に、１５μｍ以上とすることが好ましい。
第２の実施例では、２つの分岐導波路７，８に沿って配置される２つの信号電極２１，２２を有しており、特に、一方の信号電極２１が一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸ｄを跨いで前記一方の信号電極を取り出す領域（図４の点ａと点ｃとを含む一点鎖線の右側）では、他方の信号電極２２は他方の分岐導波路８に繋がるＹ分岐部に沿わずに配置されている。このため、２つの信号電極を用いる光導波路型変調器に対しても、駆動電圧を低減し、駆動信号の反射減衰量を効果的に改善することが可能なる。
また、第２の実施例においては、図３が示すように、２つの信号電極の少なくとも一方（２２）には、変調信号を遅延調整するための湾曲部２３が形成されている。これにより、２つの信号電極２１，２２による光導波路の各作用部間で、例えば、図４の点ａと点ｃとの各地点で、変調に係る位相や変調タイミングを調整することが可能となる。
さらに、２つの信号電極２１，２２を、同じ全長を有するように設定することで、２つの信号電極の間で、信号電極に印加される変調信号の減衰量を同じくでき、また、信号電極に係るインピーダンスも同じに調整することが可能となる。
本発明の光導波路型変調器における信号電極の入力する場所と当該信号電極を出力する場所とについては、図１又は３に示した基板１の異なる側面側に配置するものに限らず、基板１の同一側面側に配置することも可能である。なお、図３のように、信号電極の入力側と出力側を基板の異なる側面側に配置する場合には、他方のＹ分岐部９においても、図４と同様に（ただし、信号電極２１、と２２とを置き換える。）配置することで、各信号電極が光導波路に電界を作用させる作用部の長さが同じとなり、分岐導波路間の変調状況をほぼ同じに維持することが可能となる。また、各分岐導波路に対する変調状況が異なることにより発生するチャープ現象も抑制することが可能となる。
なお、上述の本発明の説明においては、光導波路型変調器に対する光波の進行方向や変調信号の進行方向については、特に明記していないが、例えば、図１又は図３の左右いずれの方向に光波や変調信号が進む場合でも、本発明は十分に効果を奏するものである。
以上のように本発明によれば、駆動電圧を低減すると共に、駆動信号の反射減衰量を改善した光導波路型変調器を提供することが可能となる。
１ 基板
２，２１，２２ 信号電極
３，４，３１〜３３ 接地電極
５〜１０ 光導波路
２，２１，２２ 信号電極
３，４，３１〜３３ 接地電極
５〜１０ 光導波路
Claims (5)
- 電気光学効果を有するＺカット型基板と、
該基板上に形成されたマッハツェンダー型光導波路部分を有する光導波路と、
該光導波路内を導波する光波を変調するための変調用電極とを有する光導波路型変調器において、
該マッハツェンダー型光導波路部分は、２つの平行かつ直線形状を有する分岐導波路と、該分岐導波路と接続される接続点から光導波路の分岐点までを含む２つのＹ分岐部とを有し、
該変調用電極は信号電極と接地電極とから構成され、
該信号電極は、少なくとも一方の分岐導波路の上側に沿って配置されると共に、該信号電極が前記一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の該分岐導波路と平行な対称軸を跨いで該信号電極を取り出す構成を有し、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該信号電極を配置し、
該信号電極と該Ｙ分岐部とが離れる地点でのＹ分岐部を構成する２つの導波路の該対称軸に垂直方向の間隔は、１５μｍ以上であることを特徴とする光導波路型変調器。 - 請求項１に記載の光導波路型変調器において、前記２つの分岐導波路の上側に沿って配置される２つの信号電極を有し、一方の信号電極が一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の該対称軸を跨いで前記一方の信号電極を取り出す構成を有し、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該信号電極を配置し、他方の信号電極は他方の分岐導波路に繋がる同一のＹ分岐部に沿わずに配置されることを特徴とする光導波路型変調器。
- 請求項２に記載の光導波路型変調器において、前記２つの信号電極の少なくとも一方には、変調信号を遅延調整するための湾曲部が形成されていることを特徴とする光導波路型変調器。
- 請求項２又は３に記載の光導波路型変調器において、前記２つの信号電極は、共に同じ全長を有することを特徴とする光導波路型変調器。
- 請求項１に記載の光導波路型変調器において、前記２つの分岐導波路の一方に信号電極を、他方に接地電極を配置すると共に、該信号電極が前記一方の分岐導波路から離れマッハツェンダー型光導波路部分の対称軸を跨いで該信号電極を取り出す構成を有し、前記一方の分岐導波路に繋がるＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該信号電極を配置し、前記他方の分岐導波路に繋がる同一のＹ分岐部の該接続点から該分岐点までの間の一部で光導波路の上側に沿って該接地電極を配置することを特徴とする光導波路型変調器。
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