JP4587509B2

JP4587509B2 - 導波路型光変調器

Info

Publication number: JP4587509B2
Application number: JP36201199A
Authority: JP
Inventors: 勉斉藤; 臣一下津; 哲及川; 徳一宮崎
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2019-12-21
Also published as: JP2001174766A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は導波路型光変調器に関し、さらに詳しくは、複数の信号波を用い、複数の情報を同時に伝送及び変調することが可能な多チャンネルの導波路型光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の高速・大容量光ファイバ通信システムにおける進歩に伴い、広帯域特性及び低チャープ特性、並びに伝搬損失が小さいなどの理由から、従来のレーザダイオードの直接変調に代わって、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３：以下、ＬＮと略す場合がある）を用いた導波路型の外部変調器の実用化が進められている。
そして、光ファイバ通信システムの大容量化の要求に答えるべく、単一基板に複数の光導波路を形成するとともに、これら複数の光導波路中を導波する光波を変調するための変調用電極を複数設け、いわゆる単一の導波路型光変調器が集積してなる多チャンネルの導波路型光変調器の研究開発が進められている。
【０００３】
図１は、従来の多チャンネル導波路型光変調器の一部における断面図である。
図１に示す多チャンネル導波路型光変調器１０は、相対向する一対の主面１Ａ及び１Ｂを有し、電気光学効果を具える材料のＺカット板からなる基板１と、光導波路２−１〜２−４とを具える。そして、基板１の主面１Ａにバッファ層３が形成されるとともに、このバッファ層３上に信号電極４−１及び４−２、接地電極５−１〜５−３が形成されている。
【０００４】
光導波路２−１及び２−２、並びに光導波路２−３及び２−４でそれぞれ一組のマッハツエンダー型の光導波路を構成している。そして、信号電極４−１と、接地電極５−１及び５−２とで一組の変調用電極を構成し、信号電極４−２と、接地電極５−２及び５−３とで一組の変調用電極を構成している。これらの変調用電極は、それぞれ独立に光導波路２−２及び２−４中を導波する光波に対して変調信号を印加してこの光波の位相を変化させ、光導波路２−１及び２−２、並びに２−３及び２−４で構成されるマッハツエンダー型光導波路全体で光波の消光／非消光を行うことにより、かかる光波に重畳された所定の外部信号のオン／オフを独立に行うようにしたものである。
【０００５】
なお、バッファ層３は、各光導波路中を導波する光波の信号電極及び接地電極による吸収を防止するため、及び光導波路中を導波する光波とこれらの光波に対して信号電極から印加される変調信号との速度整合を高めるなどの目的で形成されているものである。
【０００６】
すなわち、図１に示す多チャンネルの導波路型光変調器１０においては、基板１と、バッファ層３と、光導波路２−１及び２−２と、信号電極４−１と、接地電極５−１及び５−２とで一つの単一導波路型光変調器を構成し、基板１と、バッファ層３と、光導波路２−３及び２−４と、信号電極４−２と、接地電極５−２及び５−３とで一つの単一導波路型光変調器を構成している。そして、これら単一の導波路型光変調器が集積した構成を呈している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような多チャンネルの導波路型光変調器においては、単一の導波路型光変調器を集積化して高密度化し、変調器全体の大きさを小型化することが要求される。この目的は、例えば、図１に示す導波路型光変調器１０の場合、隣接する単一の導波路型光変調器のそれぞれを構成する光導波路２−２及び２−４の距離ｄを小さくすることにより達成される。
しかしながら、このようにして隣接する単一導波路型光変調器の距離を小さくして集積化しようとすると、図１に示す導波路型光変調器１０の場合、光導波路２−２と２−４とが接近し過ぎると、例えば光導波路２−２中を導波する光波に対して信号電極４−２からの変調信号より派生した寄生モードが影響を及ぼすようになり、いわゆる電気的なクロストークの問題が生じる。
【０００８】
このクロストークを防止するために、基板の厚さを小さくする手段などが取られていた。しかしながら、変調器全体の強度を確保し、実用上問題のないレベルの強度を有するようにするためには、基板をある程度厚くすることが要求される。したがって、この手段によっては電気的なクロストークを十分に減少させることができないでいた。
このため、現状においては、電気的なクロストークを防止すべく多チャンネル導波路型光変調器の高密度化をある程度犠牲にしている。
【０００９】
本発明は、多チャンネルの導波路型光変調器において、電気的なクロストークの防止と高密度化との双方を同時に達成することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明の導波路型光変調器は、相対向する一対の主面を有し、電気光学効果を有する材料からなる単一基板の一方の主面上に、光波を導波するための光導波路が複数形成されるとともに、前記複数の光導波路中を導波する光波に変調信号を印加して、前記光波を変調するための変調用電極が複数形成されてなる多チャンネルの導波路型光変調器において、前記変調用電極は信号電極と接地電極とからなり、隣り合う導波路型光変調器間に配置された接地電極が、前記隣り合う導波路型光変調器の接地電極として共有して作用するように構成されており、この変調器を構成する単一基板の光導波路及び変調用電極が形成されていない主面において、前記変調用電極の各信号電極が位置する部分に溝部を形成し、単一基板の前記変調用電極が位置する部分に薄肉部分を形成する。さらに、前記薄肉部分の幅が、互いに隣り合う前記接地電極の間隔以上になるように構成し、前記薄肉部分の厚さを、０．０５ｍｍより大きく、変調用電極からの変調信号より派生した寄生モードのカットオフ波長以下にする。
【００１１】
本発明者らは、多チャンネル導波路型光変調器において、変調用電極から発せられる変調信号より派生した寄生モードの伝搬状態を種々シュミレートするとともに、このシュミレートに基づいた多チャンネル導波路型光変調器を数多く作製した。その結果、本発明にしたがって多チャンネル導波路型光変調器を構成する単一基板の変調用電極が位置する部分のみを薄肉化するとともに、かかる部分の厚さを変調信号から発生する寄生モードのカットオフ波長以下にすることにより、前記寄生モードの隣接する電極に対する伝搬を防止できることを見出した。
したがって、単一の導波路型光変調器を集積させて高密度の多チャンネル導波路型光変調器を作製した場合においても、寄生モードの隣接する電極への伝搬を防止できるため、前述のような電気的クロストークを効果的に防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面と関連させながら、発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図２は、本発明における好ましい態様の導波路型光変調器の一部を示す断面図であり、図３は、図２に示す導波路型光変調器の一部を示す平面図である。図２に示す断面図は、図３に示す平面図のＩ―Ｉ線に沿って切ったものである。なお、図２及び３に示す導波路型光変調器おいて、図１と同様の部分は同じ番号を用いて示した。
図２及び３に示す導波路型光変調器２０は、図１と同様に、基板１と、光導波路２−１〜２−４と、バッファ層３と、信号電極４−１及び４−２と、接地電極５−１〜５−３とを具えている。そして、基板１とバッファ層３と光導波路２−１及び２−２と信号電極４−１と接地電極５−１及び５−２とで一つの単一導波路型変調器を構成している。同様に、基板１とバッファ層３と光導波路２−３及び２−４と信号電極４−２と接地電極５−２及び５−３とで他の単一導波路型光変調器を構成している。
そして、基板１の主面１Ｂには信号電極４−１及び４−２が位置する部分に溝部６−１及び６−２が形成されており、これにより基板１のかかる部分において薄肉部分７−１及び７−２を形成している。
【００１３】
本発明においては、前記溝部を光導波路中を導波する光波と変調用電極から前記光波に印加される変調信号とが実質的に相互作用する領域の全体に亘って形成し、前記薄肉部分を前記実質的相互作用領域の全体に亘って形成することが好ましい。これにより、光波の変調領域の全体に亘って寄生モードの発生を効果的に防止することができ、高密度に多チャンネル導波路型光変調器を作製した場合においてもクロストークの発生を防止することができる。
【００１４】
実質的相互作用領域とは、変調用電極と光導波路とが実質上平行に並置され、光導波路中を導波する光波に対して変調用信号からの変調信号が実際に印加される領域を言う。例えば図２及び３に示す導波路型光変調器２０の場合、信号電極４−１、接地電極５−１及び５−２と光導波路２−２、並びに信号電極４−２、接地電極５−２及び５−３と光導波路２−４とが、長手方向において平行に並置されてなる領域を言う。
【００１５】
また図２及び３に示す導波路型光変調器２０においては、信号電極４−１及び４−２の下部のみに溝部６−１及び６−２を形成し、これによりこれらの部分にのみ薄肉部分を形成するようにしている。
一般に、外部電源から所定の高周波電圧が信号電極に印加されることにより、この信号電極から変調信号が出射される。この変調信号は、光導波路を通過して光波に所定の変調を加えた後、接地電極に入る。そして、このような変調信号の性質に基づいて変調信号から発せられる寄生モードの挙動をシュミレートするとともに、実際に導波路型変調器を作製して寄生モードの挙動を確認した。その結果、信号電極の下部において最も高密度に寄生モードが発生していることを見出すとともに、この部分を薄肉化することにより寄生モードの隣接する電極への伝搬を有効に防止できることを見出した。
この場合、変調用電極を構成する信号電極の下部にのみ薄肉部分を形成すれば良いため、基板全体の強度が増し、導波路型光変調器に対して実用上十分な強度を付与することができる。
【００１６】
信号電極の下部にのみ薄肉部分を形成する場合は、例えば図２に示す導波路型光変調器２０において、薄肉部分７−１（溝部６−１）の幅Ｗ１及び薄肉部分７−２（溝部６−２）の幅Ｗ２を、隣接する接地電極５−１及び５−２の間隔Ｄ１並びに接地電極５−２及び５−３の間隔Ｄ２よりも大きくすることが好ましい。これにより寄生モードの伝搬をより効果的に防止することができる。
【００１７】
導波路型光変調器２０の薄肉部分７−１の厚さｔ１及び薄肉部分７−２の厚さｔ２は、本発明にしたがって、寄生モードのカットオフ波長以下であることが必要である。具体的には、使用する変調帯域周波数によって異なる。変調帯域周波数が２．５ＧＨｚの場合は、ｔ１及びｔ２として許容される最大値は約２．２ｍｍである。
また、変調帯域周波数が１０ＧＨｚの場合は、ｔ１及びｔ２として許容される最大値は、０．５ｍｍである。同様に、変調帯域周波数が３０ＧＨｚの場合は、ｔ１及びｔ２として許容される最大値は、０．２ｍｍである。
【００１８】
ｔ１及びｔ２の下限値は特に限定はされない。しかしながら、ある程度の強度を付与してハンドリングを容易にすべく、ｔ１及びｔ２の下限値としては、約０．０５ｍｍであることが好ましい。
【００１９】
薄肉部分の大きさ、すなわち厚さや幅などについては、多チャンネル導波路型光変調器を構成する各単一導波路型光変調器に相当する変調用電極や光導波路の状態に応じて、各変調用電極毎に独立に制御することができる。
例えば図２に示す導波路型光変調器２０の場合、薄肉部分７−１及び７−２の幅Ｗ１、Ｗ２及び厚さｔ１、ｔ２については、信号電極４−１及び４−２の状態や光導波路２−２及び２−４の状態などによって同一にすることもできるし、異なるようにすることもできる。
【００２０】
薄肉部分は、所定のマスクを用いた公知のドライエッチング法又はウエットエッチング法などにより基板の主面に溝部を形成することによって作製する。
【００２１】
また、図２には示していないが、例えば溝部６−１及び６−２の内表面６−１Ａ及び６−２Ａに、電波吸収層を形成することもできる。これにより、寄生モードが前記電波吸収層で吸収されるため、上述した電気的なクロストークをさらに効果的に防止することができる。この電波吸収層は、内表面６−１Ａ及び６−２Ａを含む、基板１の裏面１Ｂの全体に亘って形成してもよい。
また、基板１は、強誘電体単結晶のＸカット板、Ｙカット板、及びＺカット板のいずれをも使用することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
（実施例）
本実施例では、図２及び３に示すような導波路型光変調器２０を作製した。なお、簡単のため導波路型光変調器は２組の単一導波路型光変調器からなる構成、すなわち図２及び３に示す態様が導波路型光変調器の全体を示すような構成のものを作製した。
【００２３】
基板１としてニオブ酸リチウムのＺカット板を用い、この基板１の主面１Ａ上に、スピンコータを用いてフォトレジストを０．５μｍの厚さに形成した後、露光及び現像処理を行って、現像幅７μｍの光導波路パターンを形成した。
次いで、この光導波路パターン上に、蒸着法によってチタンからなる層を厚さ８００Åに形成し、電気炉中で１０００℃、１０時間の熱処理を行って前記チタンを基板１中に拡散させ、幅９μｍの光導波路２―１〜２−４を形成した。次いで、基板１の主面１Ａ上に真空蒸着法によってＳｉＯ_２からなるバッファ層３を厚さ１μｍに形成した。
【００２４】
その後、バッファ層３上に、蒸着法によってチタン層を厚さ０．０５μｍに形成した。次いで、蒸着法とメッキ法とを併用することによって信号電極４−１及び４−２、並びに接地電極５−１〜５−３を厚さ２０μｍに形成した。
次いで、基板１の主面１Ｂ側にダイシングによって溝部６−１及び６−２を形成し、幅Ｗ１、Ｗ２がそれぞれ５７μｍ、厚さｔ１、ｔ２がそれぞれ０．５ｍｍの薄肉部分７−１及び７−２を形成した。なお、信号電極４−１及び４−２の距離ｄは２５０μｍとした。
【００２５】
次いで、このようにして得た導波路型光変調器の各光導波路に光ファイバーを接続し、クロストーク特性及び伝送特性を調べたところ図４及び図５に示すような結果を得た。
【００２６】
（比較例）
薄肉部分を形成しなかった以外は実施例と同様にして導波路型光変調器を作製した。
実施例と同様にしてクロストーク特性及び伝送特性を調べたところ、図６及び７に示すような結果を得た。
【００２７】
図４及び６に示すグラフから明らかなように、比較例において薄肉部分を形成しなかった導波路型光変調器は、特定の変調信号周波数においてロスディップが生じ、クロストークの発生していることが分かる。これに対し、本発明にしたがって薄肉部分を形成してなる導波路型光変調器は、測定変調信号周波数帯域においてロスディップは見られず、クロストークの発生していないことが分かる。
また、図５及び７から明らかなように、クロストークの発生している導波路型光変調器の伝送特性は、変調信号の周波数が増大するとともに光変調信号強度が増加していることが分かる。一方、クロストークの発生していない導波路型光変調器の伝送特性は、測定変調信号周波数の全体に亘ってほぼ一定の光変調信号強度を有することが分かる。すなわち、本発明にしたがって薄肉部分を形成した導波路型光変調器は優れた伝送特性を示すことが分かる。
【００２８】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明したが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の導波路型光変調器は多チャンネルであって、この変調器を構成する単一基板の、単一導波路型光変調器を構成する変調用電極が位置する部分に薄肉部分を形成するとともに、この薄肉部分の厚さを変調信号より派生する寄生モードのカットオフ波長よりも薄くなるようにしている。したがって、寄生モードの隣接する電極に対する伝搬を防止することができ、これにより単一導波路型光変調器を高密度に集積させた場合においても、クロストークの発生を防止でき、良好な伝送特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の（多チャンネル）導波路型光変調器の一部を示す断面図である。
【図２】本発明の好ましい態様における、（多チャンネル）導波路型光変調器の一部を示す断面図である。
【図３】図２に示す導波路型光変調器の一部を示す平面図である。
【図４】本発明の（多チャンネル）導波路型光変調器におけるクロストーク特性の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の（多チャンネル）導波路型光変調器における伝送特性の一例を示すグラフである。
【図６】従来の（多チャンネル）導波路型光変調器におけるクロストーク特性の一例を示すグラフである。
【図７】従来の（多チャンネル）導波路型光変調器における伝送特性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１基板
１Ａ、１Ｂ基板の主面
２―１、２−２、２−３、２−４光導波路
３バッファ層
４―１、４−２信号電極
５−１、５−２、５−３接地電極
６―１、６−２溝部
７―１、７−２薄肉部分
１０、２０（多チャンネル）導波路型光変調器
ｔ１、ｔ２薄肉部分の厚さ
Ｗ１、Ｗ２薄肉部分の幅

Claims

相対向する一対の主面を有し、電気光学効果を有する材料からなる単一基板の一方の主面上に、光波を導波するための光導波路が複数形成されるとともに、前記複数の光導波路中を導波する光波に変調信号を印加して、前記光波を変調するための変調用電極が複数形成されてなる多チャンネルの導波路型光変調器であって、
前記変調用電極は信号電極と接地電極とからなり、
隣り合う導波路型光変調器間に配置された接地電極が、前記隣り合う導波路型光変調器の接地電極として共有して作用するように構成されており、
前記単一基板の他方の主面における前記複数の変調用電極の各信号電極が位置する部分に溝部を形成することにより薄肉部分を形成し、前記薄肉部分の幅が、互いに隣り合う前記接地電極の間隔以上になるように構成し、
前記薄肉部分の厚さを、０．０５ｍｍより大きく、前記変調信号から発生する寄生モードのカットオフ波長以下にしたことを特徴とする、導波路型光変調器。
前記薄肉部分は、前記光波と前記変調信号との実質的相互作用領域の全体に亘って形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の導波路型光変調器。
前記単一基板の他方の主面の、少なくとも前記溝部の内表面に電波吸収層を形成したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の導波路型光変調器。