JP4745432B2

JP4745432B2 - 光導波路素子

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Publication number: JP4745432B2
Application number: JP2009228292A
Authority: JP
Inventors: 勝利近藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: EP2485081A1; US20120207425A1; WO2011040436A1; JP2011075906A; EP2485081A4; CN102511015A

Description

本発明は、光通信や光情報処理に用いられる光導波路素子に関し、特に、ＤＱＰＳＫ変調などに用いられる複数のマッハ・ツェンダー型導波路を薄型の基板上に集積化した光導波路素子に関する。

ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの基板に光導波路を形成した、従来の光変調器は、図１のように、導波路形状がマッハ・ツェンダー（ＭＺ）型の構造をしており、強度変調が主流であった。ＭＺ型構造の光変調器は、ＭＺ型導波路に沿って配置された変調電極を有し、該変調電極に印加される印加電圧によって、光のｏｎ／ｏｆｆを制御している。

具体的には、ＭＺ型導波路の出力用導波路がシングルモード導波路であること、印加電圧によって光の伝播速度が変化することによる基本モード・励起モード制御によって、光のｏｎ／ｏｆｆを可能にしている。

近年、タンデム型変調器等を用い、強度・位相を変調させる方式が主流になっており、強度・位相を操作するには、ＭＺ型導波路を複数個配置する必要がある。例えば、図２に示すように、タンデム型変調器は、複数のＭＺ型導波路を並列に並べた構造になる。

一方、ＬＮ変調器の光帯域化・低電圧駆動の為、ＬＮ基板を薄くする方式が検討・発表されている（非特許文献１参照）。また、これらの薄板化技術を用いた、位相変調、プリチャープ、小型化等の検討・発表もなされている（非特許文献２乃至４参照）。

薄板を用いたＭＺ型光変調器の特質すべき点は、ＬＮ基板がスラブ導波路として機能することである。そのため、ＭＺ型導波路のｏｆｆ光は、導波路に沿って横方向に拡散することから、ｏｎ光とｏｆｆ光が重なる領域がある。これにより、ＬＮ変調器のｏｎ／ｏｆｆ消光比が劣化する不具合があった。

しかしながら、特許文献１に示すように、ＭＺ型導波路内の合波部において、出力用導波路とこれを挟むように配置された放射光用導波路とで３分岐構造を形成することが提案されている。この構成により、ｏｆｆ光の多くは、放射光用導波路に導出され、ｏｎ光とｏｆｆ光とをある程度分離することができる。

また、出力用導波路の近傍にある放射光残留成分は、光変調器を構成するチップとシングルモードファイバーとの接続により除去・軽減されるため、商用上問題とならない程度まで、ｏｎ／ｏｆｆ消光比を改善することができる。

さらに、特許文献１に示すように、放射光用導波路の代わりに、出力用導波路の脇にスラブ領域を形成する方法では、ｏｎ光とｏｆｆ光を分離するために、出力用導波路とスラブ領域との間隔を小さくし、出力用導波路に沿ってスラブ領域を長くする必要がある。その結果、挿入損失の波長依存性が大きくなるというデメリットも内在している。

ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase Shift keying）方式の光変調器は、図２に示すようにタンデム型構造をしている。さらに、薄板構造を採用することで、ＤＱＰＳＫ変調器の駆動電圧・広帯域化が可能になる。

しかしながら、図２に示すように、ＭＺ型導波路（ＭＺＡ又はＭＺＢ）がｏｆｆ状態になったとき、残留放射光は、２つのＭＺ型導波路（ＭＺＡ及びＭＺＢ）を並列に接続するＭＺ型導波路（ＭＺＣ）、特にＭＺ型導波路（ＭＺＣ）の合波部に流入し干渉する。そのため、印加電圧によって、消光比が悪化する場合がある。これは、薄板構造でＭＺ型導波路を集積化したときに生じ易く、特許文献１のような３分岐構造では解決できない。

特開２００６−３０１６１２号公報

J.Kondo et al.,「40 Gbit/s Single-Drive Thin Sheet X-cut LiNBO3 Optical Modulator With low Driving-Voltage of 2V」, OFC’04,FL4(2004) 青木謙治他,「低駆動電圧X-cut LiNbO3薄板型位相変調器」,2007年電子情報通信学会総合大会,C-3-67(2007) 青木謙治他,「非対称CPW電極を用いたプリチャープX-cut LiNbO3薄板型光変調器」,2004年電子情報通信学会エレクトロニクスソサエティ大会,C-3-103(2004) 青木謙治他,「折り返し光導波路を用いた小型・高速X-cut LiNbO3薄板型光変調器」,2006年電子情報通信学会エレクトロニクスソサエティ大会,C-3-55(2006)

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、ＤＱＰＳＫ変調などに用いられる複数のマッハ・ツェンダー型導波路を薄型の基板上に集積化した光導波路素子において、ｏｎ／ｏｆｆ消光比を改善した光導波路素子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に係る発明は、電気光学効果を有する材料で形成された厚みが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を有する光導波路素子において、該光導波路が複数のマッハツェンダー型導波路部を有すると共に、少なくとも２つ以上のマッハツェンダー型導波路部から出力される光波を合波する構成をし、該マッハツェンダー型導波路部内の合波部には、出力用導波路と該出力用導波路を挟むように配置される２本の放射光用導波路から構成される３分岐導波路が形成され、該３分岐導波路の該出力用導波路と該放射光用導波路との間には、高次モード光吸収領域が形成されており、該高次モード光吸収領域は、スラブ導波路であって、該スラブ導波路の該出力用導波路に沿った長さは０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該スラブ導波路と該出力用導波路との間隔は８μｍ以上であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、電気光学効果を有する材料で形成された厚みが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を有する光導波路素子において、
該光導波路が複数のマッハツェンダー型導波路部を有すると共に、少なくとも２つ以上のマッハツェンダー型導波路部から出力される光波を合波する構成をし、該マッハツェンダー型導波路部内の合波部には、出力用導波路と該出力用導波路を挟むように配置される２本の放射光用導波路から構成される３分岐導波路が形成され、該３分岐導波路の該出力用導波路と該放射光用導波路との間には、高次モード光吸収領域が形成されており、該高次モード光吸収領域は、金属膜であって、該金属膜と該出力用導波路との間隔は、１５μｍ以下であり、かつ電極として使用されることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する材料で形成された厚みが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を有する光導波路素子において、該光導波路が複数のマッハツェンダー型導波路部を有すると共に、少なくとも２つ以上のマッハツェンダー型導波路部から出力される光波を合波する構成をし、該マッハツェンダー型導波路部内の合波部には、出力用導波路と該出力用導波路を挟むように配置される２本の放射光用導波路から構成される３分岐導波路が形成され、該３分岐導波路の該出力用導波路と該放射光用導波路との間には、高次モード光吸収領域が形成されているため、３分岐導波路で分離できなかった残留放射光についても、高次モード光吸収領域で除去することができ、しかも、出力用導波路を伝播する基本モード光は高次モード光吸収領域により殆ど吸収されないため、ｏｎ／ｏｆｆ消光比を改善することが可能となる。

また、高次モード光吸収領域は、スラブ導波路であるため、高次モード光を吸収し残留放射光を効果的に除去できるだけでなく、光導波路素子における光導波路の製造工程などを利用して容易に形成することも可能となる。さらに、スラブ導波路の出力用導波路に沿った長さは０．５ｍｍ以下であり、スラブ導波路の長さが短いため、波長特性が劣化することがない。

請求項２に係る発明により、スラブ導波路と出力用導波路との間隔は８μｍ以上であるため、出力用導波路を伝播する基本モード光の吸収を抑制しながら、高次モード光を効果的に吸収することが可能となる。

請求項３に係る発明により、金属膜と出力用導波路との間隔は、１５μｍ以下であるため、高次モード光を効率的に吸収することが可能となる。また、金属膜を信号電極又は接地電極として使用する場合には、これらの電極を光導波路に近接配置するため、必要な電界を効果的に印加でき、駆動電圧の低減にも寄与する。しかも、高次モード光吸収領域が金属膜であるため、高次モード光を吸収し残留放射光を効果的に除去できるだけでなく、光導波路素子における変調電極の製造工程などを利用して容易に形成することも可能となる。

１つのマッハ・ツェンダー型導波路を利用した光導波路素子において、ｏｎ／ｏｆｆ状態を説明する図である。２つのマッハ・ツェンダー型導波路を並列に積み重ねたタンデム型構造において、２種類のｏｆｆ状態の光波の伝搬状態を説明する図である。本発明の光導波路素子において、高次モード光吸収領域としてスラブ導波路を用いた場合を説明する図である。本発明の光導波路素子において、高次モード光吸収領域として金属膜を用いた場合を説明する図である。基本モード光と放射光との伝播損失を試算するための試算モデルを説明する図である。基本モード光（ｏｎ光）と高次モード光（ｏｆｆ光）の減衰量を試算した結果を示すグラフであり、（ａ）スラブ導波路を利用した場合、（ｂ）金属膜を利用した場合を各々示す。高次モード光吸収領域の有無による変調曲線の差異を説明するグラフである。

以下、本発明の光導波路素子について、好適例を用いて詳細に説明する。
図３に示すように、本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する材料で形成された厚みが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を有する光導波路素子において、該光導波路が複数のマッハツェンダー型導波路部を有すると共に、少なくとも２つ以上のマッハツェンダー型導波路部から出力される光波を合波する構成をし、該マッハツェンダー型導波路部（ＭＺＡ）内の合波部には、出力用導波路（ｃ１）と該出力用導波路を挟むように配置される２本の放射光用導波路（ｂ１，ｂ２）から構成される３分岐導波路が形成され、該３分岐導波路の該出力用導波路と該放射光用導波路との間には、高次モード光吸収領域（ｄ１，ｄ２）が形成されていることを特徴とする。

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、光導波路以外の基板をエッチングしたり、光導波路の両側に溝を形成するなど、基板に光導波路に対応する部分を凸状としたリッジ形状の導波路を利用することも可能である。

光変調器などの光導波路素子では、基板上に信号電極や接地電極などの変調電極が形成される。このような電極は、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。

光変調素子を含む薄板の製造方法は、数百μｍの厚さを有する基板に上述した光導波路や変調電極を作り込み、基板の裏面を研磨し、例えば、２０μｍ以下の厚みに仕上げる。光導波路や変調電極などの作り込みは、薄板を作成した後に行うことも可能であるが、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が加わり、薄板が破損する危険性もあるため、光導波路や変調電極を作り込んだ後に基板の裏面を研磨することが好ましい。

基板を薄板化した場合には素子全体の機械的強度が低下するため、基板に補強板が接合される。補強板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、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、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。

薄板と補強板との接合には、接着剤として、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。また、直接接合法により、接着剤を使用せず、薄板と補強板とを直接貼り合わせることも可能である。

本発明の光導波路素子の特徴は、図３に示すように、マッハ・ツェンダー型導波路の合波部に出力用導波路ｃ１と放射光用導波路ｂ１，ｂ２の３分岐導波路を形成すると共に、出力用導波路と放射光用導波路との間には、高次モード光吸収領域（ｄ１，ｄ２）を形成することである。この高次モード光吸収領域により、３分岐導波路で分離できなかった残留放射光についても除去することができ、しかも、出力用導波路ｃ１を伝播する基本モード光は高次モード光吸収領域により殆ど吸収されないため、ｏｎ／ｏｆｆ消光比を改善することが可能となる。

高次モード光吸収領域は、図３に示すようにスラブ導波路で形成する場合や、図４に示すように金属膜で形成する場合がある。また、図４のように金属膜で形成する場合には、信号電極又は接地電極の一部を兼用することも可能である。

図３のスラブ導波路の形成方法としは、基本的にスラブ導波路を形成する領域の屈折率を基板より高くすれば良く、例えば、不純物Ｔｉ，Ｚｎなどを熱拡散法やプロトン交換法などにより、基板中にドープすることで形成することが可能である。これらの方法は、光導波路の形成と同じプロセスで行うことが可能であるため、光導波路形成と同時に実施しても良い。また、上述したリッジ形状の導波路のように、スラブ導波路に対応する凸状部分を基板に形成することも可能である。

図３に示すように、スラブ導波路の出力用導波路に沿った長さＬは０．５ｍｍ以下が好ましく、該スラブ導波路と該出力用導波路との間隔Ｇは８μｍ以上であることが好ましい。特に、長さＬを短くすることで、波長特性が劣化するのを抑制することが可能となる。また、間隔Ｇを調整することで、後述するように、出力用導波路を伝播する基本モード光の吸収を抑制しながら、高次モード光を効果的に吸収することが可能となる。

図４に示す金属膜の形成方法としては、Ａｌ，Ａｕ，Ｔｉ，アモルファスＳｉ等の金属を蒸着やスパッタリング等の方法で基板表面にコーティングすることができる。また、上述した変調電極の形成と同時に、電極と同様の材料で金属膜を形成することも可能である。

図４に示すように、金属膜（ｅ１〜ｅ３）と出力用導波路（ｃ１，ｃ２）との間隔は、後述するように、１５μｍ以下とすることがこのましい。これにより、高次モード光を効率的に吸収することが可能となる。また、金属膜を信号電極又は接地電極として使用する場合には、これらの電極を光導波路に近接配置するため、必要な電界を効果的に印加でき、駆動電圧の低減にも寄与する。

次に、高次モード光吸収領域と出力用導波路との間隔Ｇや、高次モード光吸収領域の出力用導波路に沿った長さＬについて、好適な数値範囲を検討する。図５に示すように、光導波路を挟むように高次モード光吸収領域を両側に配置し、光導波路を伝播する基本モード光と放射光（高次モード光）の伝搬損失を試算した。

高次モード光吸収領域をスラブ導波路で形成した場合には、長さＬが長くなると、挿入損失の波長依存性が大きくなるという新たな問題を生じるため、波長特性の劣化を防ぐ観点からＬ≦０．５ｍｍとする必要がある。また、間隔Ｇについては、図６（ａ）のグラフに示すように、間隔Ｇは小さくなるに従い、高次モード光の伝播損失が増し、スラブ導波路による高次モード光の吸収効率が高くなっていることが理解される。ただし、間隔Ｇが小さくなり過ぎると、基本モード光の伝播損失も増加するため、Ｇ≧８μｍが好ましい。これにより、基本モード光の伝搬損失を２ｄＢ／ｍｍ以下に抑制することが可能である。また、高次モード光の伝搬損失を３ｄＢ／ｍｍ以上とするためには、Ｇ≦１５μｍであることがより好ましい。

高次モード光吸収領域を金属膜で形成する場合には、図６（ｂ）のグラフに示すように、試算した上では、基本モード光は間隔Ｇの影響を受けず、高次モード光のみが間隔Ｇが小さくなるに従い伝播損失を増加させている。高次モード光の伝播損失を３ｄＢ／ｍｍ以上とするには、Ｇ≦１５μｍが好ましい。なお、金属膜の長さＬについては、図４に示すように、金属膜が変調電極を構成する信号電極や接地電極の一部を担っている場合には、長さＬは１ｃｍ程度となる。上記モデル試算では、長さＬを１ｃｍとして行っている。

本発明の光導波路素子の効果を確認するため、図２示すタンデム構造の光変調器を作成し、変調電極に印加する印加電圧を変化させた場合の出力光強度の変化（変調曲線）を調べた。ただし、本発明の光導波路素子は、ＭＺ型導波路の合波部に３分岐導波路を形成すると共に、高次モード吸収領域を図３のスラブ導波路で形成した。比較例は、スラブ導波路を形成しない以外は、本発明の光導波路素子と同様の構造とした。

評価方法は、図２に示すＭＺ型導波路（ＭＺＢ）に電圧を印加し、ｏｆｆ状態にする。次に、ＭＺ型導波路（ＭＺＡ）に電圧を印加し、タンデム型の光変調器から出力された光量を測定した。ＭＺ型導波路（ＭＺＡ）に印加した印加電圧と出力光強度（光量）との関係は、図７のグラフに示す。

比較例では、ＭＺ型導波路（ＭＺＡ）のｏｆｆ状態は、印加電圧によって、図２（ａ）及び（ｂ）に示すような２種類のｏｆｆ現象が交互に生じることから、ｏｎ／ｏｆｆ消光比が交互に変化し、消光比の劣化が発生している。これに対し、本発明の光導波路素子では、ｏｆｆ光（高次モード光）が後段のＭＺ型導波路（ＭＺＣ）の合波部に流入しないため、消光比の劣化が生じていない。

以上説明したように、本発明によれば、ＤＱＰＳＫ変調などに用いられる複数のマッハ・ツェンダー型導波路を薄型の基板上に集積化した光導波路素子において、ｏｎ／ｏｆｆ消光比を改善した光導波路素子を提供することが可能となる。

ａ１，ａ２ＭＺ型導波路の分岐導波路
ｂ１，ｂ２放射光用導波路
ｃ１，ｃ２出力用導波路
ｄ１，ｄ２スラブ導波路
ｅ１〜ｅ３金属膜
Ｆ１，Ｆ２光ファイバ
ＬＧＤ１，ＬＧＤ２光導波路素子
ＭＺ，ＭＺＡ，ＭＺＢ，ＭＺＣマッハ・ツェンダー型導波路

Claims

電気光学効果を有する材料で形成された厚みが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を有する光導波路素子において、
該光導波路が複数のマッハツェンダー型導波路部を有すると共に、少なくとも２つ以上のマッハツェンダー型導波路部から出力される光波を合波する構成をし、
該マッハツェンダー型導波路部内の合波部には、出力用導波路と該出力用導波路を挟むように配置される２本の放射光用導波路から構成される３分岐導波路が形成され、
該３分岐導波路の該出力用導波路と該放射光用導波路との間には、高次モード光吸収領域が形成されており、
該高次モード光吸収領域は、スラブ導波路であって、該スラブ導波路の該出力用導波路に沿った長さは０．５ｍｍ以下であることを特徴とする光導波路素子。
請求項１に記載の光導波路素子において、該スラブ導波路と該出力用導波路との間隔は８μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。
電気光学効果を有する材料で形成された厚みが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を有する光導波路素子において、
該光導波路が複数のマッハツェンダー型導波路部を有すると共に、少なくとも２つ以上のマッハツェンダー型導波路部から出力される光波を合波する構成をし、
該マッハツェンダー型導波路部内の合波部には、出力用導波路と該出力用導波路を挟むように配置される２本の放射光用導波路から構成される３分岐導波路が形成され、
該３分岐導波路の該出力用導波路と該放射光用導波路との間には、高次モード光吸収領域が形成されており、
該高次モード光吸収領域は、金属膜であって、該金属膜と該出力用導波路との間隔は、１５μｍ以下であり、かつ電極として使用されることを特徴とする光導波路素子。