JP4922086B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学効果を利用して、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。

近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。

このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。

以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したＬＮ光変調器について説明する。

（第１の従来技術）
特許文献１に開示された、ｚ−カットＬＮ基板を用いて構成した、いわゆるリッジ型ＬＮ光変調器を第１の従来技術の光変調器として図７にその斜視図を示す。なお、図８は図７のＡ−Ａ’線における断面図である。

ｚ−カットＬＮ基板１上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。したがって、光導波路３の電気信号と光が相互作用する部（相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。

この光導波路３の上面にＳｉＯ_２バッファ層２が形成され、このＳｉＯ_２バッファ層２の上面に進行波電極４が形成されている。進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いている。なお、通常、進行波電極４はＡｕにより形成されている。５はｚ−カットＬＮ基板１を用いて製作したＬＮ光変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するための導電層であり、通常はＳｉ導電層を用いる。中心導体４ａの幅Ｓは７μｍ程度で、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップＷは１５μｍ程度である。なお、説明を簡単にするために、図７では図示した温度ドリフト抑圧のためのＳｉ導電層５を図８においては省略している。また、以下においてもＳｉ導電層５は省略して議論する。

この第１の従来技術では、ｚ−カットＬＮ基板１をエッチングなどで掘り込むことにより、凹部９ａ、９ｂ、及び９ｃ（あるいは、リッジ部８ａ、８ｂとも言える）を形成している。ここで、１０ａ、１０ｂは外周部である。なお、リッジ部８ａ、８ｂを各々中心導体用リッジ部、接地導体用リッジ部とも呼ぶ。

このリッジ構造をとることにより、高周波電気信号の実効屈折率（あるいは、マイクロ波実効屈折率）、特性インピーダンス、変調帯域、駆動電圧などにおいて優れた特性を実現することができる。なお、図８では凹部９ａ、９ｂ、及び９ｃの深さ（あるいはリッジ部８ａ、８ｂの高さ）を強調して描いているが、実際には２〜５μｍ程度であり、中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃの厚み約２０μｍに比較するとその値は小さい。

さて、この第１の従来技術はＬＮ光変調器としての変調特性は高いものの、安定性について問題があることがわかった。即ち、Ｓｉ導電層５を使用しているにもかかわらず、温度ドリフト特性が悪いことが判明した。その原因は高い変調性能を生み出すリッジ構造に起因していると考えられる。

以下にその原因について詳しく説明する。図８からわかるように、中心導体４ａの直下のリッジ部８ａについては、接地導体４ｂ、４ｃとは独立しているので、ｚ−カットＬＮ基板１の表面に平行な方向にリッジ部８ａを引っ張る力は存在しない。

ところが、リッジ部８ｂについては、前述のように２０μｍの厚い接地導体４ｂが凹部９ｃ、外周部１０ｂとともに形成されている。そして、接地導体４ｂのＡｕとｚ−カットＬＮ基板１の熱膨張係数は互いに大きく異なる。さらに、図８では接地導体４ｂは実際には数ミリメートルと広いので環境変化に起因する熱膨張や熱収縮などの応力が積み重なり、リッジ部８ｂへかなり大きな応力がかかる。

ところが、ｚ−カットＬＮ基板１に応力がかかるとその屈折率が変化する（応力複屈折）ので、結果的に相互作用光導波路３ａの屈折率が変化することになり、ＬＮ光変調器を動作させる際のＤＣバイアス点が変わってしまう。これがリッジ構造特有の温度ドリフト現象であり、ＬＮ光変調器としての安定性を損なう結果となる。ちなみに、ＬＮ光変調器の環境温度を室温から７０℃まで変化させた際に、この第１の従来技術でのＤＣバイアス点の変化は６Ｖと大きかった。

（第２の従来技術）
この第１の従来技術の問題点を解決するために、特許文献２に開示された第２の従来技術の相互作用部における断面図を図９に示す。図９からわかるように、リッジ部８ｂの上に形成された接地導体４ｂ´と外周部１０ｂの上に形成された接地導体４ｂ´´の厚みは厚いが、凹部９ｃに形成された接地導体４ｂ´´´の厚みを５０ｎｍ〜３μｍ以下と薄くしている。このように凹部９ｃにおける接地導体４ｂ´´´の厚みを薄くすることにより、広い面積を有する接地導体４ｂ´´がリッジ部８ｂへ与える応力を小さくすることができるので、温度安定性を改善できるという考え方である。

しかしながら、以下のようにこの第２の従来技術には解決すべき重大な問題点がある。この第２の従来技術では接地導体としては４ｂ´、４ｂ´´及び４ｂ´´´があるものの、中心導体４ａに対応して実際にほとんどの電流が流れている箇所は中心導体４ａに相対向し、中心導体４ａと同程度の幅の狭い接地導体４ｂ´である。つまり、接地導体においてほとんどの電流は接地導体用リッジ部８ｂの上に形成された接地導体４ｂ´のみに流れている。ここで、接地導体４ｂ´の幅が中心導体４ａの幅と同程度に狭いことは、本明細書の図９や特許文献２の図３〜図５から明らかである。

従って高周波電気信号はジュール熱となり消失し易く、変調帯域が図８に示した第１の従来技術と比較して著しく劣化した。実際に筆者らが実験で確かめたところ、光通信における伝送速度として２．５Ｇｂｉｔ／ｓの変調がやっとであり、現在、主流となっている１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調は困難であった。また、近い将来有望とされる４０Ｇｂｉｔ／ｓの変調は全く不可能であった。

また、一般にフォトレジストが溜まり易い凹部にパターンを形成することはプロセス的に難しく、この第２の従来技術は製作が難しい。換言すると、第２の従来技術は製作の歩留まりが悪い構造と言える。また、凹部に薄い接地導体を形成する工数やパターンを形成する工数の観点から、人件費的にもコストが高くなる構造とも言える。
特開平４−２８８５１８号公報 特開２００４−１５７５００号公報

以上のように、リッジ型ＬＮ光変調器として提案された従来の第１技術では電極を構成するＡｕとｚ−カットＬＮ基板との熱膨張係数の差に起因する接地導体からの応力が温度とともに最適ＤＣバイアス点を変化させる温度ドリフトを生じた。この温度特性を改善するために提案された第２の従来技術では、接地導体においてほとんどの電流が流れているのは、幅の狭い接地導体用リッジ部の上に形成された箇所であり、従って高周波電気信号はジュール熱となり消失し易く、変調帯域が第１の従来技術と比較して著しく劣化した。そして、伝送速度としては２．５Ｇｂｉｔ／ｓの変調がやっとであり、現在、主流となっている１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調は難しく、また今後有望とされる４０Ｇｂｉｔ／ｓの変調は全く不可能である。そして、光変調器としての高速性・低駆動電圧性を犠牲にしないで温度安定化を実現できる光変調器の開発が急務となっている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光変調特性が高性能であるとともに、安定性について改善された光変調器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電界強度が強い領域における前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより設けた複数の凹部により形成されるリッジ部とを具備し、該リッジ部は前記中心導体が上方に形成された中心導体用リッジ部と、前記接地導体が上方に形成された接地導体用リッジ部とからなり、また前記基板には前記複数の凹部を間に挟んだ両側に外周部が形成され、少なくとも前記中心導体用リッジ部に光導波路を有する光変調器において、前記接地導体は、前記接地導体用リッジ部の上方から前記中心導体用リッジ部側とは反対側の前記外周部の上方に渡って所定の厚みで形成されるとともに、当該所定の厚みよりも厚みの薄い箇所が当該外周部に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２の光変調器は、前記外周部における厚みが薄く形成された前記接地導体にパターンが形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、前記基板が半導体からなることを特徴とする。本発明の請求項４の光変調器は、前記基板がリチウムナイオベートからなることを特徴とする。

本発明に係る光変調器では、ＬＮ光変調器の環境温度が変化した際に、電極とＬＮ基板との熱膨張係数の差に起因する応力が光導波路を形成したリッジに印加されるのを防ぐ。そのため、リッジ型光変調器の高い性能を損なうことなく、熱ドリフトが小さなＬＮ光変調器を提供することが可能となるという優れた効果がある。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図７から図９に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に本発明の第１の実施形態についてその相互作用部の断面図を示す。図８に示した第１の従来技術における接地導体４ｂは本実施形態では接地導体１１、１２、及び１３として分割して構成されている。ここで、１４は接地導体１２の上の空隙部である。また、中心導体４ａの幅Ｓは７μｍ、中心導体４ａと接地導体４ｃ、もしくは接地導体１１とのギャップＷは１５μｍ、外周部１０ｂの上に設けた空隙部１４のギャップＧは１０μｍ、中心導体４ａなどの厚みは２０μｍとした。また空隙部１４における接地導体１２の厚みは２μｍである。空隙部１４を設けることにより外周部１０ｂの上にある接地導体１３からの熱膨張や熱収縮に起因する応力が接地導体１１へ印加されるのを防いでいる。

この第１の実施形態においては接地導体１１の幅Ｗｂが重要な意味を持つ。図２には、１ＧＨｚでの接地導体１１の幅Ｗｂに対する高周波電気信号の伝搬損失αを示す。なお、高周波電気信号の伝搬損失αは周波数ｆについては√ｆに比例して増加する。図２からわかるように、高周波電気信号の伝搬損失αを充分小さくするには接地導体１１の幅Ｗｂとして３０μｍ以上あることが望ましい。但し、構造パラメータについての以上の数値は一例であり、各パラメータとしては各種の数値をとることが可能であり、接地導体１１の幅Ｗｂの最適な値も若干変動する。

我々は、接地導体１１における電流の過度の集中を避けるために必要な要件について、リッジ型ＬＮ光変調器の中心導体４ａの幅Ｓを各種変えて検討した結果、接地導体１１の幅Ｗｂとしては中心導体４ａの幅Ｓの最低２倍は必要で、約３倍以上あることが望ましいとわかった。そして、構造の対称性の観点から凹部９ａ、９ｂ、９ｃは同じ幅で製作することが好ましい。これらの検討の結果、空隙部１４が外周部１０ｂの上にあることが必要な要件であることがわかった。

なお、リッジ部８ｂの上の接地導体４ｂ´に電流が集中する第２の従来技術の考え方では高周波電気信号の伝搬損失αが大きく、４０Ｇｂｉｔ／ｓはおろか１０Ｇｂｉｔ／ｓの高速伝送も困難であることを図２から再確認できた。

空隙部１４の接地導体１２にはパターンを形成しても良い。図１のＢ−Ｂ´における上面図として接地導体１２に形成したパターンの具体例を図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。但し、ここに示したパターンはあくまで例であり、この他に例えば接地導体１１と接地導体１３を接続するパターンを（ｂ）のような９０度ではなく斜めにする、あるいは曲線の格子状にするなど、接地導体１１と接地導体１３を部分的に、もしくは全体を電気的に接続する限り、これらに限らず各種のパターンがある。なお、接地導体１２に示したこれらの態様は本発明の全ての実施形態に適用できることは言うまでもない。

なお、この第１の実施形態では接地導体１１の幅を３０μｍとすることにより、１０Ｇｂｉｔ／ｓのみならず、４０Ｇｂｉｔ／ｓでの伝送に成功し、かつＬＮ光変調器の環境温度を室温から７０℃まで変化させても、ＤＣバイアス点の変化を１Ｖ以下と大変小さく抑えることができた。

（第２の実施形態）
図４に本発明の第２の実施形態についてその相互作用部の断面図を示す。この第２の実施形態においては、図１における第１の実施形態の外周部１０ａに凹部９ｄを形成することにより新たにリッジ部８ｃが導入され、かつリッジ部８ｃの上に接地導体１５、１６、及び１７が形成されている。１０ｃは新たな外周部である。１８は外周部１０ｃの上方に形成された空隙部である。第２の実施形態ではリッジ部８ａの中心線に対して対称な形となっている。また、凹部９ｄ（つまり、リッジ部８ｃ）を設けず、空隙部１８を形成しても良い。

なお、本発明では全ての実施形態において、いかなる場所に引いたｚ−カットＬＮ基板１の表面に垂直な直線に対して対称な構造であっても良いし、そもそもある線に対して対称な構造でなくても良いことは言うまでもない。

（第３の実施形態）
図５に本発明の第３の実施形態についてその相互作用部の断面図を示す。この第３の実施形態においては、図１に示した本発明の第１の実施形態において、接地導体１３の厚みを薄くし、図５において新たに接地導体１９としている。そして、２０を空隙部と定義する。この実施形態は言わば図１に示した第１の実施形態において空隙部１４が極めて広がった形となっている。

（第４の実施形態）
図６に本発明の第４の実施形態についてその相互作用部の断面図を示す。この第４の実施形態においては、図４に示した本発明の第２の実施形態における接地導体１３と接地導体１７の厚みを薄くしている。これらは図６では各々接地導体１９、接地導体２１として示している。また、２０と２２を空隙部と定義している。この実施形態は言わば図４に示した第２の実施形態において空隙部１４と１８が極めて広がった形となっている。あるいは、空隙部２０、２２の部分の接地導体１９、２１の厚みを最初からゼロとしても良いし、ある程度のところからゼロとしても良い。こうした実施形態も本発明に属する。なお、この考え方は第４の実施形態に限らず、第３の実施形態や本発明におけるその他の全ての実施形態に適用できる。

（各実施形態）
分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもなく、考え方は３本以上の光導波路にも適用可能であるし、光導波路が１本の位相変調器にも適用できる。また光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてＡｌ_２Ｏ_３等のＳｉＯ_２以外の各種材料も適用できる。

また、ｚ−カットＬＮ基板について説明したが、ｘ−カットやｙ−カットなどその他の面方位のＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレート基板、さらには半導体基板など異なる材料の基板でも良い。

以上の実施形態としては、リッジが２つ、もしくは３つある場合について説明したがリッジの数は１つでも良いし、あるいはこれら以外の数でも良い。また複数のリッジの高さが異なっていても良いことは言うまでもない。また、本発明において述べているリッジは広い意味を表しており、例えば図１や図４においてｚ−カットＬＮ基板を掘り下げた箇所を９ａや９ｂのみとし、その他の場所は接地導体４ｃ、１１、１５の下方も含め掘り下げない構造をも含んでいる。また逆に、より多くのリッジを形成しても良いし、空隙部をより多く（つまり、何重にも）設けても良い。

また、通常、各凹部は同じ程度の幅で形成するが、外周部に近い凹部が極めて広くなるようにエッチングしている場合には、その広くエッチングされた部分を事実上の外周部と考え、本発明を適用することが可能である。

以上のように、本発明に係る光変調器は、高性能なリッジ型の光変調器において、外周部の接地導体に空隙部を設けることにより、温度ドリフト特性が優れた光変調器として有用である。

本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 高周波電気信号の伝搬損失を説明する図 本発明の第１の実施形態における接地導体１２の各種の態様 本発明の第２の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 本発明の第３の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 本発明の第４の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す断面図 第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図 図７のＡ−Ａ’における断面図 第２の従来技術の光変調器についての概略構成を示す断面図

符号の説明

１：ｚ−カットＬＮ基板
２、１４、１５：ＳｉＯ_２バッファ層
３：マッハツェンダ光導波路
３ａ、３ｂ：マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ、１１、１２、１３、１５、１６、１７、１９、２１：接地導体
５：Ｓｉ導電層
６：高周波（ＲＦ）電気信号給電線
７：高周波（ＲＦ）電気信号出力線
８ａ：リッジ部（中心導体用リッジ部）
８ｂ、８ｃ：リッジ部（接地導体用リッジ部）
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ：凹部
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：外周部
１４、１８、２０、２２：空隙部

Claims (4)

1. 電気光学効果を有する基板と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、前記進行波電極を伝搬する高周波電気信号の電界強度が強い領域における前記基板の少なくとも一部を掘り下げることにより設けた複数の凹部により形成されるリッジ部とを具備し、該リッジ部は前記中心導体が上方に形成された中心導体用リッジ部と、前記接地導体が上方に形成された接地導体用リッジ部とからなり、また前記基板には前記複数の凹部を間に挟んだ両側に外周部が形成され、少なくとも前記中心導体用リッジ部に光導波路を有する光変調器において、
   前記接地導体は、前記接地導体用リッジ部の上方から前記中心導体用リッジ部側とは反対側の前記外周部の上方に渡って所定の厚みで形成されるとともに、当該所定の厚みよりも厚みの薄い箇所が当該外周部に形成されていることを特徴とする光変調器。
2. 前記外周部における厚みが薄く形成された前記接地導体にパターンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記基板が半導体からなることを特徴とする請求項１と請求項２のいずれか一つに記載の光変調器。
4. 前記基板がリチウムナイオベートからなることを特徴とする請求項１と請求項２のいずれか一つに記載の光変調器。

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