JP5666522B2 - 光導波路素子、及び光導波路素子の温度クロストーク抑止方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、メインのマッハツエンダー型光導波路中に、２つのサブマッハツエンダー型光導波路が組み込まれた構成の、いわゆるネスト型導波路構造の光導波路素子に関する。

従来、光通信分野や光測定分野において、ＳＳＢ(Single-Side band)変調方式やデュオバイナリ（duobinary）変調方式など、複数の変調用電極に所定の位相差（＝時間遅延）を有する同一の変調信号を印加する光変調方式が利用されている。

ＳＳＢ型光変調器では、２つのサブマッハツェンダ型光導波路をメインマッハツェンダ型光導波路の分岐導波路に組み込んだ構成、いわゆる２つ入れ子マッハツエンダー型光導波路を有した、ネスト型導波路構造の光導波路素子が用いられている。このような光導波路素子において、ＳＳＢ変調信号を得るためには、90°ハイブリットを用いて２つの分岐された変調信号間の位相差が90°になるよう設定し、各サブマッハツェンダ型光導波路の変調用電極に印加する（特許文献１）。

また、デュオバイナリ変調方式においては、２重電極型マッハツェンダ光変調器を利用し、２つの分岐導波路の各変調用電極に印加される変調信号が、ビット遅延回路を用い２つの変調信号間に所定のビット差を生じるよう設定されている。一般的にビット遅延量は０〜２Ｔ（Ｔ＝１bit）の範囲で選択される。

しかしながら、特に、上記ＳＳＢ変調方式で使用するネスト型導波路構造の光導波路素子においては、その使用中において各サブマッハツエンダー型光導波路のバイアス点、すなわち動作点が随時シフトしてしまい、安定な動作を確保することができないという問題があった。

このような動作点シフトを抑制するためには、例えば、上記光導波路素子からの出力信号を光検出部で適宜モニタリングし、動作点シフトが生じた場合は適宜制御装置などを用いることによって、そのシフト分を補完するという操作がなされていた。しかしながら、かかる動作点の調整操作は極めて煩雑であるので、上述したネスト型光導波路構造の光導波路素子の実用上の障害となっていた。

特許第３８６７１４８号

本発明は、制御装置などを必要とせずに、素子自体が動作点シフト抑制機能を有するネスト型光導波路構造の光導波路素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
電気光学効果を有する、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム及びジルコン酸チタン酸鉛ランタンの少なくとも一つからなる基板と、
前記基板上に形成された光導波路と、
前記光導波路内を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具え、
前記光導波路は、前記光波の進行方向において２つに分岐して２本のメイン光導波を構成し、各メイン光導波路は前記光波の前記進行方向においてさらに２つに分岐して２本のサブ光導波路を構成し、
前記２本のメイン光導波路は、メインマッハツエンダー型光導波路を構成するとともに、前記２本のサブ光導波路は、前記メインマッハツエンダー型光導波路内に組み込まれるようにしてサブマッハツエンダー型光導波路を構成し、
該サブマッハツエンダー型光導波路において、前記複数の変調電極によって前記光波が変調される構成であり、
前記基板の、相対向して位置する２つの前記サブマッハツエンダー型光導波路間において、熱伝導抑止領域を有し、前記熱伝導抑止領域は、前記基板内に形成した溝部であることを特徴とする、ネスト型光導波路素子に関する。

また、本発明は、
電気光学効果を有する、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム及びジルコン酸チタン酸鉛ランタンの少なくとも一つからなる基板と、前記基板上に形成された光導波路と、前記光導波路内を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具え、
前記光導波路は、前記光波の進行方向において２つに分岐して２本のメイン光導波路を構成し、各メイン光導波路は、前記光波の前記進行方向においてさらに２つに分岐して２本のサブ光導波路を構成し、前記２本のメイン光導波路はメインマッハツエンダー型光導波路を構成するとともに、前記２本のサブ光導波路は、前記メインマッハツエンダー型光導波路内に組み込まれるようにしてサブマッハツエンダー型光導波路を構成してなる光導波路素子において、
該サブマッハツエンダー型光導波路において、前記複数の変調電極によって前記光波が変調される構成であり、
前記基板の、相対向して位置する２つの前記サブマッハツエンダー型光導波路間において、溝部からなる熱伝導抑止領域を形成し、前記２つのサブマッハツエンダー型光導波路間の温度クロストークを抑制することを特徴とする、ネスト型光導波路素子の温度クロストーク抑止方法に関する。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、以下に示すような事実を見出すに至った。上記のようなネスト型導波路構造の光導波路素子においては、サブマッハツエンダー型光導波路部が変調動作等により発熱してしまい、相互に熱的な干渉を引き起こす場合がある。すなわち、第１のサブマッハツエンダー型光導波路及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路は、使用中において、それぞれ加熱されることになるが、その配置位置や周囲の環境などの諸条件に応じて、実際の温度は互いに異なるようになる。

したがって、一方のサブマッハツエンダー型光導波路からは、周囲の温度の低い領域に向けて熱輸送が行われることになるが、この熱輸送は近接する他方のサブマッハツエンダー型光導波路へも影響を及ぼす。例えば、第１のサブマッハツエンダー型光導波路の温度が、第２のサブマッハツエンダー型光導波路の温度よりも高いとすると、前記第１のサブマッハツエンダー型光導波路から前記第２のサブマッハツエンダー型光導波路に向けて熱輸送が行われるようになる。さらに、この熱輸送の度合いは、その使用環境や使用状態などに起因して随時変化するようになる。

すなわち、前記第１のサブマッハツエンダー型光導波路と、前記第２のサブマッハツエンダー型光導波路との間には、温度クロストークが発生するようになるので、この温度クロストークによって、前記第２のサブマッハツエンダー型光導波路は、動作点シフトなどの特性上の影響を受けることになる。この結果、光導波路素子全体でも動作点シフトが頻繁に発生してしまうこととなっていた。

このような状況に鑑み、本発明では、光導波路素子を構成する基板の、相対向して位置する２つのサブマッハツエンダー型光導波路間において、熱伝導抑止領域を形成し、前記２つのサブマッハツエンダー型光導波路間の温度クロストークを抑制するようにしている。したがって、各サブマッハツエンダー型光導波路の動作点シフトなどの温度に起因した諸特性を効果的に抑制することができ、上記光導波路素子の動作点シフトなどの温度に起因した諸特性を効果的に抑制することができる。

なお、“熱クロストーク”とは、具体的にはＲＦ信号を電極に印加したための発熱に起因するドリフト量（以下熱ドリフトという）を意味するものである。ドリフト量は、その駆動電圧で一般的に表示され、熱ドリフトの良否は、一般にＤＣ電圧で０．５Ｖ以下の場合を良と判断し、０．５Ｖより大きい場合を否と判断する。
と一般的に判断される。

なお、本発明の一態様では、前記熱伝導抑止領域は、前記基板内に形成した溝部とすることができる。この場合、前記２つのサブマッハツエンダー型光導波路間には、空気の断熱層が存在するようになるため、それら光導波路間の熱的干渉、すなわち温度クロストークを効果的に抑制することができる。なお、前記溝部とは前記基板を貫通するように形成することもでき、また、前記基板を貫通することなく、いわゆる凹型に形成することもできる。

また、本発明の他の態様では、前記熱伝導抑止領域は、前記基板内に形成した溝部内に充填した断熱部材とすることができる。この場合、前記断熱部材によって前記２つのサブマッハツエンダー型光導波路の熱的干渉、すなわち温度クロストークを効果的に抑制することができる。なお、前記断熱部材としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂及び不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂を好ましく用いることができるが、その他の樹脂、例えば熱可塑性樹脂などの使用を妨げるものではない。

以上、説明したように、本発明によれば、光導波路素子を構成する２つのサブマッハツエンダー型光導波路間の温度クロストークを効果的に抑制することができるので、制御装置などを必要とせずに、素子自体が動作点シフト抑制機能を有するネスト型光導波路構造の光導波路素子を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における光導波路素子の構成を示す平面図である。 図１に示す光導波路素子のＡ−Ａ線に沿って切った場合の断面図である。 第２の実施形態における光導波路素子を示す断面図である。

以下、本発明の詳細について、図面を参照しながら発明の実施形態に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における光導波路素子の構成を示す平面図であり、図２は、図１に示す光導波路素子のＡ−Ａ線に沿って切った場合の断面図である。尚、図２〜図３においては、変調用電極１５３，１５４，１６３，１６４は、図示していない。

本実施形態における光導波路素子１０は、電気光学効果を有する基板１１、この基板１１の表面部分に形成された光導波路１２を具えている。光導波路１２は、光波の進行方向において２つに分岐して２本のメイン光導波１４１及び１４２を構成し、各メイン光導波路１４１及び１４２は、それぞれ前記光波の前記進行方向においてさらに２つに分岐して２本のサブ光導波路１５１及び１５２、並びに１６１及び１６２を構成する。

２本のメイン光導波路１４１及び１４２は、メインマッハツエンダー型光導波路１４を構成する。また、２本のサブ光導波路１５１及び１５２は、第１のサブマッハツエンダー型光導波路１５を構成し、２本のサブ光導波路１６１及び１６２は、第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６を構成する。この結果、２つのサブマッハツエンダー型光導波路１５及び１６は、メインマッハツエンダー型光導波路１４内に組み込まれたような構成を呈する。

なお、サブ光導波路１５１及び１５２には変調用電極１５３及び１５４が設けられ、サブ光導波路１６１及び１６２には変調用電極１６３及び１６４が設けられている。本実施形態では、変調用電極１５３及び１６３が所定の変調信号を印加する信号電極として機能し、変調用電極１５４及び１６４が接地電極として機能している。変調用電極１５３は、信号電極及びＤＣ電極からなり、変調用電極１５４は接地電極である。また、変調用電極１６３は、信号電極及びＤＣ電極からなり、変調用電極１６４は接地電極である。

また、第１のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６間には、熱伝導抑止領域１８が設けられている。本実施形態では、熱伝導抑止領域１８は、基板１１内に形成された溝部から構成されている。この場合、２つのサブマッハツエンダー型光導波路１５及び１６間には、空気の断熱層が存在するようになるため、それら光導波路間の熱的干渉、すなわち温度クロストークを効果的に抑制することができる。その結果、光導波路素子１０全体の、前記温度クロストークに起因した動作点シフト及びその他の影響を効果的に抑制することができるようになる。

なお、溝部１８の深さは、特に限定されるものではないが、基板１１内に形成した光導波路１５１及び１５２、並びに１６１及び１６２の形成深さと同等か、それよりも大きくすることが好ましく、また基板を貫通することが最も好ましい。また、溝部１８の幅は特に限定されるものではないが、現状の光導波路素子の大きさがミリメートルのオーダであるので、ミクロンのオーダであれば十分に熱伝導抑止の効果を発揮する。

なお、基板１１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１２（１４１，１４２，１５１，１５２，１６１及び１６２）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２のように基板１１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。
特開平６−２８９３４１号公報

変調用電極１５３及び１５４、並びに１６３及び１６４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１１と変調用電極１５３及び１５４、並びに１６３及び１６４との間にはバッファ層を形成することもできる。これによって、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効果的に防止することができる。また、前記変調用電極から印加される変調信号と、前記光導波路内を導波する光波との速度整合をも向上させることができる。

次に、本実施形態の光導波路素子の変調方法の一例について説明する。光導波路素子１０に対して入力光信号である周波数ω₀のレーザ光が入力されると、この光信号は光導波路１２中を伝搬した後、メインマッハツエンダー型光導波路１４のメイン光導波路１４１及び１４２に分岐される。その後、メイン光導波路１４１中を伝搬した光波は、サブマッハツエンダー型光導波路１５のサブ光導波路１５１及び１５２に分岐され、そこで周波数ωｃ ／２の変調信号が印加される。また、メイン光導波路１４２中を伝搬した光波は、サブ光導波路１６１及び１６２に分岐され、そこで周波数ωｃ／２の変調信号が印加される。

その結果、上記周波数ωｃ／２の変調信号で変調された後の光波が合流して光導波路１２内を伝搬し、光導波路素子１０から出力されると、互いに周波数間隔がωｃだけ離隔した２つの光信号ω１及びω２が得られる。

なお、上記変調方法はあくまで一例であって、本実施形態における光導波路素子は用途に応じて任意の態様で使用することができる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態における光導波路素子を示す断面図である。本実施形態における光導波路素子の平面状態は上記第１の実施形態の場合と同じであり、図３は、上記第１の実施形態における図２に相当して、前記光導波路素子のＡ−Ａ線に沿って切った場合の断面図である。なお、同一及び類似の構成要素に関しては、同じ参照数字を用いて表している。

本実施形態における光導波路素子２０は、第１の実施形態における溝部において断熱部材２８が充填されている点で相違し、その他の構成要素に関しては全く同じであるので、説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態では、第１のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６間には、断熱部材２８が設けられているので、それら光導波路間の熱的干渉、すなわち温度クロストークを効果的に抑制することができる。その結果、光導波路素子２０全体の、前記温度クロストークに起因した動作点シフト及びその他の影響を効果的に抑制することができるようになる。

なお、断熱部材２８は、その底部が基板１１内に形成した光導波路１５１及び１５２、並びに１６１及び１６２の形成深さと同等か、それよりも下方に位置するようにすることが好ましい。また、断熱部材２８の幅は特に限定されるものではないが、現状の光導波路素子の大きさがミリメートルのオーダであるので、サブミクロンのオーダであれば十分に熱伝導抑止の効果を発揮する。

断熱部材２８は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂及び不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂を好ましく用いることができるが、その他の樹脂、例えば熱可塑性樹脂などの使用を妨げるものではない。

本実施例では、第１の実施形態から第２の実施形態に係る光導波路素子を実際に作製して、その温度クロストークを調べた。

具体的には、第１の実施形態において、第１のサブマッハツエンダー型光導波路１５及び第２のサブマッハツエンダー型光導波路１６間の距離を０．２ｍｍとし、その間に深さ０．２ｍｍ、幅０．１ｍｍの溝部を形成した（実施例１）。

また、第２の実施形態において、断熱部材としてエポキシ樹脂を用いた。なお、サブ光導波路間距離、及び溝構成は実施例１と同じにした（実施例２）。

以上のような場合において、温度クロストークの抑止度合いを調べ、その度合いの程度に応じて、○×評価を実施した。結果を表１に示す。なお、○は、熱ドリフトが０．５Ｖ以下の場合を意味し、×は、熱ドリフトが０．５Ｖより大きい場合を意味する。

表１から明らかなように、いずれの場合でも温度クロストークが良好に抑制されていることが分かる。特に、溝部を設けることによって空気断熱を図った場合に特に良好な温度クロストーク抑止効果を呈することが判明した。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定さ
れるものではなく、本発明の範疇を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。

１０，２０ 光導波路素子
１１ 基板
１２ 光導波路
１４ メインマッハツエンダー型光導波路
１５ 第１のサブマッハツエンダー型光導波路
１６ 第２のサブマッハツエンダー型光導波路
１８ 溝部（熱伝導抑止領域）
２８ 断熱部材（熱伝導抑止領域）

Claims (3)

1. 電気光学効果を有する、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム及びジルコン酸チタン酸鉛ランタンの少なくとも一つからなる基板と、
   前記基板上に形成された光導波路と、
   前記光導波路内を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具え、
   前記光導波路は、前記光波の進行方向において２つに分岐して２本のメイン光導波を構成し、各メイン光導波路は前記光波の前記進行方向においてさらに２つに分岐して２本のサブ光導波路を構成し、
   前記２本のメイン光導波路は、メインマッハツエンダー型光導波路を構成するとともに、前記２本のサブ光導波路は、前記メインマッハツエンダー型光導波路内に組み込まれるようにしてサブマッハツエンダー型光導波路を構成し、
   該サブマッハツエンダー型光導波路において、前記複数の変調電極によって前記光波が変調される構成であり、
   前記基板の、相対向して位置する２つの前記サブマッハツエンダー型光導波路間において、熱伝導抑止領域を有し、前記熱伝導抑止領域は、前記基板内に形成した溝部であることを特徴とする、ネスト型光導波路素子。
2. 前記溝部内に断熱部材を充填したことを特徴とする、請求項１に記載のネスト型光導波路素子。
3. 電気光学効果を有する、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム及びジルコン酸チタン酸鉛ランタンの少なくとも一つからなる基板と、前記基板上に形成された光導波路と、前記光導波路内を導波する光波を変調するための複数の変調用電極とを具え、
   前記光導波路は、前記光波の進行方向において２つに分岐して２本のメイン光導波路を構成し、各メイン光導波路は、前記光波の前記進行方向においてさらに２つに分岐して２本のサブ光導波路を構成し、前記２本のメイン光導波路はメインマッハツエンダー型光導波路を構成するとともに、前記２本のサブ光導波路は、前記メインマッハツエンダー型光導波路内に組み込まれるようにしてサブマッハツエンダー型光導波路を構成してなる光導波路素子において、
   該マッハツエンダー型光導波路において、前記複数の変調電極によって前記光波が変調される構成であり、
   前記基板の、相対向して位置する２つの前記サブマッハツエンダー型光導波路間において、溝部からなる熱伝導抑止領域を形成し、前記２つのサブマッハツエンダー型光導波路間の温度クロストークを抑制することを特徴とする、ネスト型光導波路素子の温度クロストーク抑止方法。

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