JP4658658B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、電気光学効果を有する材料で形成された薄板を使用する光変調器に関する。

従来、光通信分野や光測定分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路や変調電極を形成した導波路型光変調器が多用されている。
特に、マルチメデアの発展に伴い情報伝達量も増加傾向にあり、光変調周波数の広帯域化を実現する必要がある。これらを実現するためにはＬＮ変調器等による外部変調方式が多様化されている。しかし、ＬＮ変調器の広帯域の実現には、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合、及び駆動電圧の低減を図る必要がある。

前記課題の解決手段として、従来より基板の厚みを薄くすることにより、マイクロ波と光波の速度との速度整合条件を満足させ、且つ駆動電圧の低減を同時に図ることが知られている。
以下の特許文献１又は２においては、３０μｍ以下の厚みを有する薄い基板（以下、「第１基板」という。）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第１基板より誘電率の低い他の基板（以下、「第２基板」という。）を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図り且つ基板の機械的強度を維持することが行われている。
特開昭６４−１８１２１号公報 特開２００３−２１５５１９号公報

特許文献１又は２では、主に、第１基板にはＬｉＮｂＯ_３（以下、「ＬＮ」という。）が利用され、第２基板には、石英、ガラス、アルミナなどＬＮより低誘電率の材料が使用されている。これらの材料の組合せでは、線膨張係数の違いにより、温度変化に伴う温度ドリフトやＤＣドリフトが発生することとなる。特許文献２においては、このような不具合を除去するため、第１基板と第２基板との接合を、第１基板に近い線膨張係数を有する接着剤を利用して行うことも開示されている。

しかし、従来から製造されていたＬＮ基板を用いた変調器とＬＮ基板の厚さを薄くした変調器とを比較した場合、基板の厚みが薄くなるに従い、光導波路から放射又は漏出した光や入射用光ファイバーから光導波路以外に入射した光など（以下、「迷光」という）が基板内に閉じ込められる傾向が強くなる。これは従来のＬＮ基板は、基板の厚さ（例えば５００〜１０００μｍ）が厚いため、導波路（例えば深さ数μｍ）に影響を及ぼさない領域が十分に有り、迷光となっている光の空間分布密度（以下、「迷光密度」という。）が低くなり、その結果迷光の影響があまり問題とならなかった。しかし基板の厚さを導波路の深さ方向の距離と同じくらいにした場合、基板内の迷光密度が高くなるため、迷光が基板内を伝搬し、光導波路に再入射したり、光変調器に接続された出射用光ファイバに入射するなどの現象が生じ、結果として出力光のＳ／Ｎ比が劣化する原因となっていた。

しかも、光変調器に薄板を使用する場合には、薄板のみでは機械的強度は不足する関係から、上述したように第１基板の薄板と第２基板の補強板とを接着剤などで接合する必要がある。この際、接着剤の屈折率が薄板のものより低い場合には、上記迷光の閉じ込めがより顕著となる。

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、薄板を用いた光変調器における出力光のＳ／Ｎ比を改善した光変調器を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調器において、該光導波路又はその近傍の一部に、薄板の外表面に接して配置され、該薄板の屈折率より高い屈折率を有する高屈折率部を設け、該薄板内の迷光を該薄板外に導出することを特徴とする。ただし、本発明に係る「外表面」とは、薄板の表面、裏面及び側面を含むものを意味する。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調器において、該高屈折率部の該薄板と反対側には、該高屈折率部よりもさらに高い屈折率を有する部材又は光吸収性のある部材が配置されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光変調器において、該薄板の厚みが１０μｍ以下であることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、厚さ２０μｍ以下の薄板を使用した光変調器において、光導波路又はその近傍の一部に、薄板の外表面に接して配置され、該薄板の屈折率より高い屈折率を有する高屈折率部を設けるため、薄板内の光導波路以外を伝搬している迷光を、高屈折率部を利用した迷光除去手段により除去することが可能となる。このため、出射用光ファイバーに入射する光変調器の出力光に、迷光が混在することが抑制され、Ｓ／Ｎ比が改善された光変調器を提供することが可能となる。

請求項２に係る発明により、高屈折率部の該薄板と反対側には、該高屈折率部よりもさらに高い屈折率を有する部材又は光吸収性のある部材が配置されているため、高屈折率部に導入された迷光が、再度、薄板の方向に戻らないようにすることが可能となる。

請求項３に係る発明により、薄板の厚みが１０μｍ以下であるため、薄板内に閉じ込められ易い迷光を、本発明により効果的に除去することが可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明が適用される薄板を利用した光変調器の斜視図である。電気光学効果を有する材料で形成された薄板１には、光導波路４や不図示の変調電極（信号電極や接地電極等）などが形成され、補強板３は薄板1に対し接着剤２等により接合されている。なお、光導波路は、薄板の裏面に形成することも可能である。

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。また、特許文献３のように薄板１の表面に光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。
信号電極や接地電極などの変調電極は、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。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層（不図示）を設け、バッファ層の上に変調電極を形成することも可能である。
特開平６−２８９３４１号公報

電気光学効果を有する材料としては、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）結晶が好適に利用される。

光変調素子を含む薄板１の製造方法は、数百μｍの厚さを有する基板に上述した光導波路を形成し、基板の裏面を研磨して、２０μｍ以下の厚みを有する薄板を作成する。その後薄板の表面に変調電極を作り込む。また、光導波路や変調電極などの作り込みを行った後に、基板の裏面を研磨することがも可能である。なお、光導波路形成時の熱的衝撃や各種処理時の薄膜の取り扱いによる機械的衝撃などが加わると、薄板が破損する危険性もあるため、これらの熱的又は機械的衝撃が加わり易い工程は、基板を研磨して薄板化する前に行うことが好ましい。

補強板３に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、下記特許文献３のように薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光変調器の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、特許文献２のように薄板と補強板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。

薄板１と補強板３との接合には、接着層２として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。

図１のような光変調器においては、光導波路の光分岐部や合波部、また、不図示の入射用光ファイバと光変調器との接合部などから、光導波路以外の薄板内に迷光が発生し、薄板の厚みが薄く、特に１０μｍ以下に設定されている場合には、該迷光が薄板内を伝搬し光導波路や出射用光ファイバに入射するという不具合を生じることが、本発明者らにより見出され、本発明をなすに至ったものである。

このような問題を解決するため、本発明は、電気光学効果を有する材料で形成された薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調器において、該薄板内又は該薄板に近接して、迷光除去手段が配置されていることを特徴とする。

本発明に適用される迷光除去手段としては、種々のものが利用可能であるが、特に光吸収部、高屈折率部、光ガイド部、さらに溝などの凹部などが好適に使用可能である。
図２（ａ）は、図１に示す光変調器の一点鎖線Ａにおける断面図であり、光吸収部を迷光除去手段として使用する場合の例を示したものである。説明を簡略化するため、変調電極、接着層及び補強板などは省略されている。

分岐光導波路などの薄板１に形成された光導波路４を伝搬する光波を、光吸収部１０で吸収しないように配慮するため、光吸収部は、光導波路４及びその近傍を避け、薄板の裏面（図２（ａ）参照）や表面などの外表面に接して配置されている。薄板１と光吸収部は、蒸着、スパツタリング、塗布などの方法によるコーテイングや、光吸収部を薄板に接着剤などで接合又は単に接触して配置するだけでも良い。

光吸収部の材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｙ、Ｌａ等の光吸収係数の高い金属などが好適に使用可能である。
図２（ａ）に示すように、光吸収部１０を薄板１に対して配置することにより、薄板１内を伝搬する迷光１１，１２を効率よく吸収することができる。

さらに、図２（ｂ）に一例を示すように、光吸収部１０は、薄板の裏面に光導波路４から１０μｍ以上離間した場所に形成すると共に、光導波路を取り囲むように、あるいは、光導波路に対し対称となるように光吸収部を形成する。これにより、光吸収部により吸収し切れなかった迷光の影響が、各導波路に均等に働くため、局所的に迷光の影響が及ぶ場合と比較し、特性の劣化を抑制することが可能となる。
なお、図２（ａ）は、図２（ｂ）のＡ−Ａにおける断面図を示す。

次に、図３に示すように、薄板１に対して高屈折率部１３を配置することでも迷光を除去することが可能である。図３は、図１に示す光導波路４の合波部を通る一点鎖線Ｂにおける断面図を示したものである。
光導波路の合波部では、分岐光導波路を伝搬した光波が干渉し、光導波路４の外側に放射光が放出される。このような放射光は迷光となり薄板内を伝搬するため、薄板の外表面における光導波路が形成された部分又はその近傍に、高屈折率部１３を配置する。これにより、放射光１５は薄板外に導出され、高屈折率部１３の下側に配置された補強板などの他の部材１４に放射光が導かれることとなる。

高屈折率部の材料としては、薄板と同材質または、ＬＮ、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｎｂ₂Ｏ₅などの薄板より屈折率の高い高屈折率材料が好適に使用可能である。
なお、高屈折率部の設ける場所は、図３の位置に限らず、図２（ａ）と同様でも良い。また、高屈折率部の薄板に対する形成方法としては、上述した光吸収部と同様な各種方法を使用することができる。

また、部材１４の材料としては、高屈折率部１３を介して導入された光波１５が、再度、薄板１の方向に戻らないようにするためには、高屈折率部１３よりさらに高い屈折率を有する材料を選択するか、又は光吸収性のある材料を選択することが好ましい。

図４は、迷光除去手段として光ガイド部１５を使用する例を示したものである。薄板１に形成された光導波路４の周囲に、光波を導くことが可能な光ガイド部１５を形成している。図４の光導波路４の左端に接続される入射用光ファイバ（不図示）からは、光ファイバと光導波路との光学的な結合状態により、光導波路４に入射される光波だけでなく、光導波路以外の薄板内に入射する光波も発生する。このような光導波路に入射しない光波は迷光となるため、光ガイド部１５により、この迷光を集め所定の方向に導出し、迷光を除去することが可能である。

また、光ガイド部を光導波路の両側又は片側に複数本形成する場合には、各光ガイド部の形成角度を異なるように調整することで、吸収される迷光の角度が多様化し、結果的に迷光の吸収度合いを増すことが可能となる。

光ガイド部１５の形成方法としては、光導波路と同様にＴｉなどを熱拡散して形成することが可能であり、光導波路と同じ材料を使用する場合には、光導波路を薄板上に形成する際に、一緒に光ガイド部を形成することが可能となり、光変調器の製造工程を複雑化することもない。

光ガイド部１５の配置は、図４に示すように、入射用光ファイバの端部からの漏れ光を捕獲する位置に設けるだけでなく、迷光が発生し易い、光導波路の分岐部や合波部の近傍に配置することも有効である。また、光ガイド部１５は、光導波路４と似た導波特性も有するため、両者を近接し過ぎると、両者間で光の相互作用が生じ、光導波路を伝搬する光波への影響も懸念するため、両者間の距離は、このような相互作用を生じない位置に設定することが好ましい。

さらに、光ガイド部１５が導く光波は、図４においては、光変調器の外部に放出するよう構成されているが、光ガイド部の端部（あるいは光ガイド部の途中）に、必要に応じて光吸収部を配置し、光ガイド部で導波される光波を吸収するよう構成することも可能であり、金属電極下部にガイドする方法も有効である。また、光ガイド部は、薄板の表面に形成されるばかりでなく、薄板の裏面に形成することもできる。

図５では、迷光除去手段として凹部１６を薄板１の表面に形成する例を示す。
凹部１６は、レーザ照射、サンドブラストなどの機械的処理やエッチングなどの化学的処理により容易に、薄板の表面又は裏面に形成することが可能である。

凹部１６により、凹部に入射した迷光は、薄板外に放出されたり、凹部の壁面で反射されることとなるため、凹部を、迷光が発生し易い箇所や、迷光が入射しやすい光導波路、さらには、出射用光ファイバの光変調器への接合部付近に配置することにより、迷光が光変調器の出射光のＳ／Ｎ比に与える影響を抑制することが可能となる。

さらに、該凹部１６に、光吸収材料を充填することにより、凹部に入射した迷光が、再度、薄板内に入射することも抑制することが可能となる。

次に、本発明の光変調器に係る具体的な実施例及びその試験について説明する。
薄板の光変調素子は、基板に厚み５００μｍのＸカット型のＬＮ基板を使用し、Ｔｉ拡散プロセスなどにより、基板表面に図１のようなマッハツェンダー型の光導波路を形成する。

基板表面に熱可塑性樹脂を塗布し、研磨ダミー基板を貼り付ける。基板の裏面を、研磨機で基板の厚さが２０μｍとなるまで研磨し、メッキプロセスで高さ１４μｍの変調電極を形成することで、光変調素子を組み込んだ薄板を製作する。

（実施例１：参考例）
実施例１（参考例）においては、上記の方法で製作した薄板の裏面に、光導波路を形成した領域から１０μｍ離れた領域全体に、図２（ｂ）に示すように光吸収材料部材としてＡｌを成膜した。その後、通信波長帯で光波を伝播する機能を有する光路結合用ＵＶ接着剤を塗布し、薄板と同じの材料の基板を補強板として薄板の裏面に接合した。

（実施例２）
実施例２においては、上記方法で製作したＬＮ薄板の裏面で、分岐光導波路の合波部が形成された領域に、図３に示すように厚さ６０μｍの高屈折率部を配置し、光路結合用ＵＶ接着剤を塗布し、補強板を高屈折率部の裏面に接合した。該高屈折率部や該補強板は、薄板より屈折率が同等以上に高いものであれば良い。実施例２においては該高屈折率部及び該補強板として、薄板と同材質であるＬＮを使用した。

（実施例３：参考例）
上記方法で製作した薄板において、該薄板を製作する際に、図４に示すような光ガイド部１５をＴｉ拡散で形成した。光ガイド部は、光導波路と最も近接する距離が１０μｍ程度であり、光導波路４の中心軸に対し０．５から１．５°傾斜させて形成されている。
前記ガイド部が複数形成する場合は、それぞれ形成する中心軸に対する角度変えることにより、更に好適となる。光変調素子を組み込んだ薄板には、前記光路結合用ＵＶ接着剤を塗布し、薄板と同じの材料の基板を補強板として薄板の裏面に接合した。

（実施例４：参考例）
上記方法で製作した薄板において、該薄板を製作する際に、光導波路を形成した後、サンドブラストにて深さ２０μｍ、幅２５μｍ、長さ３０μｍの凹部を、図５に示す領域に形成した。光変調素子を組み込んだ薄板は、前記光路結合用ＵＶ接着剤を塗布し、薄板と同じの材料の基板を補強板として薄板の裏面に接合した。

（実施例５〜８）
また、実施例５〜８として、実施例１〜４においては薄板の厚さを２０μｍとしたが、マイクロ波と光の速度整合や低駆動電圧の達成のために基板の厚さを１０μｍ程度に薄くし、実施例１〜４と同様な工程で作成を行った。

（比較例）
上記方法で製作した薄板（厚さ２０μｍ）において、光変調素子を組み込んだ薄板は、前記接着剤を厚さ塗布し、薄板と同じの材料の基板を補強板として薄板の裏面に接合した。

（試験方法）
実施例１〜８及び比較例の各光変調器に光ファイバを接続した。次に、入射用光ファイバに試験光を入射し、出射用光ファイバからの出力光を、パワーメータにより計測し、各光変調器の出力光のＳ／Ｎ比を測定した。測定結果を、表１に示す。σは標準偏差を意味する。

表１の結果から、比較例と比較し、実施例１乃至８のいずれにおいても、出力光のＳ／Ｎ比が改善されていることが理解される。

以上説明したように、本発明によれば、厚さ２０μｍ以下の薄板を用いた光変調器における出力光のＳ／Ｎ比を改善した光変調器を提供することが可能となる。

本発明の光変調器の斜視図である。 迷光除去手段として光吸収部を有する光変調器の断面図の一部を示す。 迷光除去手段として高屈折率部を有する光変調器の断面図の一部を示す。 迷光除去手段として光ガイド部を有する光変調器を示す図である。 迷光除去手段として凹部を有する光変調器を示す図である。

１ 薄板
２ 接着層
３ 補強板
４ 光導波路
１０ 光吸収部
１１，１２，１５ 迷光
１３ 高屈折率部
１５ 光ガイド部
１６ 凹部

Claims (3)

1. 電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極とを含む光変調器において、
   該光導波路又はその近傍の一部に、薄板の外表面に接して配置され、該薄板の屈折率より高い屈折率を有する高屈折率部を設け、該薄板内の迷光を該薄板外に導出することを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載の光変調器において、該高屈折率部の該薄板と反対側には、該高屈折率部よりもさらに高い屈折率を有する部材又は光吸収性のある部材が配置されていることを特徴とする光変調器。
3. 請求項１又は２に記載の光変調器において、該薄板の厚みが１０μｍ以下であることを特徴とする光変調器。

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