JP5716714B2

JP5716714B2 - 光導波路素子

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Publication number: JP5716714B2
Application number: JP2012176628A
Authority: JP
Inventors: 勝利近藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: US9304370B2; JP2014035451A; CN104520758A; WO2014024957A1; US20150205181A1

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、光導波路のＹ分岐において分岐角度が大きい場合でも、光学特性を改善した光導波路素子に関する。

光通信や光情報処理には、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板に光導波路を形成した光導波路素子が利用されている。

光導波路素子の一例であるＬＮ変調器は、導波路形状がマッハツェンダー（ＭＺ）構造をしている。ＭＺ構造の変調器は、ＭＺ構造の分岐光導波路に沿って配置された制御電極に印加す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構造導波路の出力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。

ＬＮ変調器の特性に、Ｖπ、光帯域がある。Ｖπとは、光をｏｎからｏｆｆにするときに必要な印加電圧であり、光帯域とは、ｏｎ／ｏｆｆ動作可能な周波数である。Ｖπが小さく、光帯域が大きいほど、ＬＮ変調器の特性としては良好である。

一般的に、コンデンサ並列回路に電圧を印加したとき、誘電率が大きいコンデンサ側に大きな電場が印加される。特許文献１のように、ＬＮ変調器の基板厚を光分布程度に薄くすると、マイクロ波電界と光導波路が効率的に重なり合うため、低いＶπで駆動することができる。

しかし、基板を薄くした場合には、厚い基板の光変調器と比較して、光学特性が劣化（不安定）し易い。その原因の一つに、光導波路以外の基板内を伝搬する漏光がある。このため、特許文献２に示すように、薄板化されたＬＮ変調器は、漏光対策が必須になる。

近年、４値の位相変調（Phase Shift Keying，ＰＳＫ）方式の光変調器（４値ＰＳＫ変調器）等のように、位相を変調させる方式が主流になっている。位相を操作するには、ＭＺ構造の光導波路を複数個配置する必要がある。例えば、４値ＰＳＫ変調器の場合、３個のＭＺ構造、偏波多重４値ＰＳＫ変調器の場合には６個のＭＺ構造が必要になる。

具体的には、図１に示すように、４値ＰＳＫ変調器では入力光を４分岐にする必要がある。図１では、一つの大きなＭＺ構造（主ＭＺ）の分岐導波路に２つの小さなＭＺ構造（副ＭＺ）を配置したネスト型導波路を利用している。分離された各導波路は、作用部において位相変調が加えられる。変調用電極は、各ＭＺ構造に対し、コプレーナ構造が適用されている。

図１の副ＭＺ間の最も近接した距離に対応する、４値ＰＳＫ変調器のＭＺ間ＧＮＤ（接地）電極幅は、各ＭＺ構造の電気信号のクロストーク及びＧＮＤ機能を考慮すると、少なくとも２００μｍ以上必要になる。このため、光４分岐部の入射Ｙ分岐の分離間隔（Ｙ分岐間隔）は２００μｍ以上になる。

非特許文献１には、ＬＮ変調器よりも小型化が可能なＩｎＰを用いた４値ＰＳＫ変調器であるにも関わらず、電気信号のクロストーク及びＧＮＤ機能を考慮して、Ｙ分岐間隔を３５０μｍ確保している。

また、Ｙ分岐の分岐角度が大きい、広角Ｙ分岐は、光回路の集積化においても、検討されている。非特許文献２又は特許文献３では、Ｙ分岐部での損失低減を図ることが目的であり、Ｙ分岐部から漏れた光の影響については全く考慮されていない。

一方、光導波路から漏れた光の処理方法は、特許文献４又は５に開示されており、特に、光導波路の曲げ部やＹ字状の合波部からの漏光に関する技術が開示されている。また、Ｓ字部から漏光が発生する光導波路は、波長依存性があるため、通信分野での光デバイスとしては通常使用できない。

上述のように、４値ＰＳＫ変調器などの光導波路素子では、光４分岐部の入射Ｙ分岐の分離間隔が広くなるのに対し、光導波路素子の大きさの制約からＹ分岐の長さが制限されるため、Ｙ分岐角度が通常より大きくなる。その結果、Ｙ分岐部から光が漏洩し、光変調器などの光学特性を劣化させる原因となる。さらに、基板を薄くする薄板化構造の場合には、上述したように光学特性劣化が顕著となる。

特開２００３−２１５５１９号公報特許第４６５８６５８号公報特開２０００−１３１５４４号公報特開２００４−４６０２１号公報特許第３１８４４２６号公報

Kelvin Prosyk et al., "Tunable InP-based Optical IQ Modulator for 160 Gb/s", ECOC Postdeadline Papers,Th.13.A.5 (2011) 薮哲郎他，「低損失広角Y分岐光導波路」，電子情報通信学会論文誌Ｃ，Vol.J87-C, No.8, pp609-615, 2004年8月皆方誠，「LINbO3光導波路デバイス」，電子情報通信学会論文誌 C-I， Vol.J77-C-I ,No.5 ,pp194-205，1994年5月 Jungo Kondo et al., "High-Speed and Low-Driving-Voltage Thin-Sheet X-Cut LiNbO3 Modulator With Laminated Low-Dielectric-Constant Adhesive", IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.10, pp2077-2079, October 2005

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、光導波路のＹ分岐部での分岐角度が大きい場合でも、光学特性の劣化が少ない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、本発明の光導波路素子は以下の技術的特徴を有している。
（１）基板に光導波路が形成された光導波路素子において、該基板は、厚みが２０μｍ以下のニオブ酸リチウムで構成され、該光導波路は、Ｔｉを熱拡散して形成し、該光導波路は、分岐角度が１／３５ｒａｄ以上で光を２分岐する第１の分岐部を有し、該第１の分岐部から分岐した２つの分岐導波路の各々には、第２の分岐部と第３の分岐部が接続配置されると共に、前記第２の分岐部と前記第３の分岐部の各々はマッハツェンダー型光導波路を形成しており、該第１の分岐部の分岐した２つの分岐導波路間に配置され、該第１の分岐部の股部分から該光導波路外に放射される放射光を案内する放射光ガイド導波路と、該放射光ガイド導波路の終端部には、案内された放射光を吸収又は基板外に放出する光終端部が配置されていることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の光導波路素子において、該光終端部は、該基板上に配置された導電性部材であることを特徴とする。

（３）上記（２）に記載の光導波路素子において、該導電性部材は、該光導波路を伝搬する光を変調するための電極の一部であることを特徴とする。

（４）上記（１）に記載の光導波路素子において、該光終端部は、該放射光の主な伝搬方向に対する幅が８０μｍ以上の溝であることを特徴とする。

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光導波路素子において、前記第２の分岐部と前記第３の分岐部の各々はマッハツェンダー型光導波路を形成し、互いのマッハツェンダー型光導波路の最も近接した距離が２００μｍ以上であることを特徴とする。

本発明の光導波路素子では、基板に光導波路が形成された光導波路素子において、該基板は、厚みが２０μｍ以下のニオブ酸リチウムで構成され、該光導波路は、Ｔｉを熱拡散して形成し、該光導波路は、分岐角度が１／３５ｒａｄ以上で光を２分岐する第１の分岐部を有し、該第１の分岐部から分岐した２つの分岐導波路の各々には、第２の分岐部と第３の分岐部が接続配置されると共に、前記第２の分岐部と前記第３の分岐部の各々はマッハツェンダー型光導波路を形成しており、該第１の分岐部の分岐した２つの分岐導波路間に配置され、該第１の分岐部の股部分から該光導波路外に放射される放射光を案内する放射光ガイド導波路と、該放射光ガイド導波路の終端部には、案内された放射光を吸収又は基板外に放出する光終端部が配置されているため、第１の分岐部（入射Ｙ分岐部，主ＭＺの入射側のＹ分岐部）からの漏光が、分岐導波路に形成されたＭＺ導波路（副ＭＺ）に入射することを確実に低減することが可能となり、副ＭＺ構造におけるＯｎ／Ｏｆｆ消光比を改善するなど、光導波路素子の光学特性の劣化を抑制することが可能となる。

４値ＰＳＫ変調器に使用される光導波路素子の例を説明する図である。本発明の光導波路素子における第１の分岐部の近傍の構造を説明する図である。「分岐角度」を説明する図である。本発明の光導波路素子と従来品との光学特性（Ｙ分岐角度と副ＭＺの消光比との関係）を比較したグラフである。本発明の光導波路素子と従来品との光学特性（使用する光波長と副ＭＺの消光比との関係）を比較したグラフである。本発明の光導波路素子において、溝を利用した光終端部を使用した例を説明する図である。溝のみによる効果を確認するため、試験的に作成した光導波路素子の例を説明する図である。

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。
本発明の光導波路素子は、図２に示すように、基板に光導波路が形成された光導波路素子において、該基板は、厚みが２０μｍ以下のニオブ酸リチウムで構成され、該光導波路は、Ｔｉを熱拡散して形成し、該光導波路は、分岐角度が１／３５ｒａｄ以上で光を２分岐する第１の分岐部を有し、該第１の分岐部から分岐した２つの分岐導波路の各々には、第２の分岐部と第３の分岐部が接続配置されると共に、前記第２の分岐部と前記第３の分岐部の各々はマッハツェンダー型光導波路を形成しており、該第１の分岐部の分岐した２つの分岐導波路間に配置され、該第１の分岐部の股部分から該光導波路外に放射される放射光を案内する放射光ガイド導波路と、該放射光ガイド導波路の終端部には、案内された放射光を吸収又は基板外に放出する光終端部が配置されていることを特徴とする。

図２は、図１の入射Ｙ分岐を拡大して図示したものであり、第１の分岐部である入射Ｙ分岐の後には、各分岐導波路に副ＭＺ構造のＹ分岐部（第２及び第３の分岐部）が接続されているが、図２では省略している。図２のように、分岐角度が大きいＹ分岐部を採用する際には、Ｙ分岐部の股部分から漏光が発生し易くなる。このため、本発明では、放射光ガイド導波路で漏光の拡散を抑制し、漏光を光終端部に導き、放射光を吸収又は基板外に放出するよう構成している。これにより、漏光が副ＭＺ構造の光導波路などに混入し、副ＭＺ構造におけるＯｎ／Ｏｆｆ消光比が劣化し、さらには光導波路素子の光学特性が劣化するなどの不具合が発生することが抑制される。

本発明で使用する「分岐角度（Ｙ分岐角度）」とは、図３に示すように、Ｙ分岐により分岐した光導波路が形成する曲線の接線（点線）が形成する角度で最大のものを意味する。分岐導波路の形状が、図３の上下で異なる場合（線対称でない場合）には、各々の分岐導波路の曲線に対する接線の中で、図面の上半分とした半分で接線が形成する角度が最も大きくなる組み合わせを選定し、その角度の値が「分岐角度」となる。

また、図３に示す「Ｙ分岐分離間隔」とは、Ｙ分岐により互いに離れる２つの分岐導波路間の最大距離を意味している。本発明の光導波路素子において、副ＭＺ構造を構成する各マッハツェンダー型光導波路が、互いに最も近接する距離が２００μｍ以上となる場合を想定すると、入射Ｙ分岐分離間隔としては２００μｍ以上が必要となる。入射Ｙ分岐部の長さ（分岐してから２つの分岐導波路が互いに平行な状態となるまでの長さ）が７０００μｍである場合には、Ｙ分岐角度は約２／３５ｒａｄとなる。

入射Ｙ分岐長が３５００μｍで、入射Ｙ分岐間隔をパラメータとして、副ＭＺの消光比を試算した結果を図４に示す。商用の変調器（例えば、４値ＰＳＫ変調器）の消光比は、２５ｄＢ以上必要であるが、図４から読み取れるように、Ｙ分岐角度が１．６／３５ｒａｄ以上で消光比が２５ｄＢ以下、Ｙ分岐角度が２．４／３５ｒａｄ以上で消光比が２０ｄＢ以下になる。このように、Ｙ分岐間隔を広げると、副ＭＺの消光比が劣化することが判る。

基板には、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板を利用することが可能である。また、光変調を行う光導波路部分を含む基板と、それ以外の光導波路、例えばＹ分岐部又はＹ合波部などの導波路を含む基板とを別々の材料の基板で構成することも可能である。

光導波路の形成方法としては、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。また、リッジ型導波路のように、基板に凹凸を形成して形成することも可能である。

本発明の光導波路素子は、基板の厚さが２０μｍ以下のニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムの基板を用いることが好ましい。例えば、Ｔｉ拡散導波路を形成したＬＮウェハを２０μｍ以下まで研磨を行い、接着剤を介して保持基板に固定して使用する。Ｔｉ拡散工程は、非特許文献３に記載されている既知の技術を、薄板変調器形成方法は、非特許文献４に記載されている既知の技術を用いることが可能である。なお、基板の薄板化は、電極形成後でも可能である。

変調用電極や位相シフト用電極などの電極形成は、シード層を蒸着・スパッタ・ＣＶＤ等で約１００ｎｍの厚さに形成し、さらに電解メッキにてセミアディティブ法で形成する。本発明の光終端部として導電性部材（膜体）を使用する場合には、電極形成と同時に導電性部材の配置を行っても良いし、別の製造プロセスで当該部材の配置を行うことも可能である。また、光終端部として、電極を構成する接地電極の一部に、その機能を担わせることも可能である。

本発明の光導波路素子では、第１の分岐部においてＹ分岐角度が大きいため、光波の波面と導波路伝播方向が一致しない。その結果、一致しなかった光波の成分がＹ分岐中央部に漏出し、副ＭＺ構造に影響を及ぼす。特に、基板が薄板の場合は、漏光は、薄板構造の基板、特に基板の垂直方向に光が閉込められる。そのため、漏光は水平方向のみに広がり、副ＭＺ構造のＹ分岐部（光導波路）に容易に混入する。これにより、副ＭＺにおけるＹ分岐部の分岐比を劣化させ、Ｏｎ／Ｏｆｆ消光比が劣化することとなる。

第１の分岐部からの漏光を拡散しないようにガイドさせる目的で、Ｙ分岐部の股部分に幅が広い導波路（放射光ガイド導波路）を形成し、光を閉じ込めている。放射光ガイド導波路は分岐導波路と光結合し、過剰な光損失が発生する可能性があるため、図２に示すように、放射光ガイド導波路と分岐導波路との最短距離を１０μｍ以上に設定している。これは、分岐導波路の光分布の大きさ（１／ｅ^２値）程度である。

放射光ガイド導波路に漏光を導波するには、（１）伝播方向が、漏光方向（対称Ｙ分岐の場合、対称軸の方向）であること、（２）導波路幅の伝播方向に対する微分がＹ分岐角度よりも小さいこと、（３）放射光ガイド導波路幅の開始幅ができるだけ広いことが必須条件である。図２では、直線スラブ導波路を放射光ガイド導波路としている。放射光ガイド導波路は、ＭＺ構造を含む光導波路と同時に形成することが可能である。また、必要に応じて、通常の光導波路の形成とは別の工程で形成することも可能である。

本発明では、放射光ガイド導波路を伝搬している光を終端させるために、主ＭＺ構造の中側に光終端部を設けている。図２では、光終端部として、接地電極（ＧＮＤ電極）を利用し、放射光ガイド導波路で当該電極まで漏光を案内している。ＧＮＤ電極下部の薄板ＬＮを通過する光波は、上部の金属（ＧＮＤ電極）によって吸収・減衰される。このように、ＧＮＤ電極が、光の終端機能を兼用している。

従来のＬＮ変調器は、基板と電極との間に形成されたバッファ層（ＢＦ）により光を吸収しないが、バッファ層の厚みが０．２μｍ以下になると光を吸収する機能を発揮する。その結果、０．２μｍ以下のバッファ層を挿入することが可能であり、光導波路と電極のフォトマスクの変更のみで、特性を改善することができる。

図５は、図２に示す構造を有する光導波路素子と、従来の光導波路素子との特性を比較したグラフである。本発明の光導波路素子は、測定した波長域全体に渡って、副ＭＺ構造におけるＯｎ／Ｏｆｆ消光比が改善していることが容易に理解される。

本発明の光導波路素子に使用される光終端部としては、図２に示したもの以外に、図６のように、基板の一部に溝（基板の窪みだけでなく、基板を貫通する穴を含む）を形成することも可能である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の一点鎖線ａ−ａにおける断面図である。

溝の形成は、ドライエッチング、エキシマレーザ等が利用可能である。このような溝により、放射光ガイド導波路を伝播していた光を空間中に放射させることで、光終端機能を実現する。溝の幅（放射光の伝搬方向の長さ）の大きさにより、放射した光が、再度薄板内部に入射する。放射した光をビーム広がり角（θ〜λ／Ｄ）を用いて考えると、薄板への再入射が１／５以下にしたい場合には、溝の幅（図面の横方向の長さ）を約８０μｍ以上に設定することが好ましい。実際に、放射光ガイド導波路の途中に、エキシマレーザを用いて２００μｍの長さの穴加工を実施した。その結果、副ＭＺ構造におけるＯｎ／Ｏｆｆ消光比の改善が確認された。

さらに、図７に示すように、放射光ガイド導波路開始位置に８０μｍの穴加工を施した。その結果、幾分の光学特性の改善が見られるものの、穴を形成する側面における光波の散乱などの影響で、逆に特性が劣化する場合もあり、図５の構成よりも素子間の特性のバラツキが大きくなった。このことからも、放射光ガイド導波路と光終端部との組み合わせは、光学特性の改善に大きく寄与し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、光導波路のＹ分岐部での分岐角度が大きい場合でも、光学特性の劣化が少ない光導波路素子を提供することが可能となる。

Claims

基板に光導波路が形成された光導波路素子において、
該基板は、厚みが２０μｍ以下のニオブ酸リチウムで構成され、
該光導波路は、Ｔｉを熱拡散して形成し、
該光導波路は、分岐角度が１／３５ｒａｄ以上で光を２分岐する第１の分岐部を有し、
該第１の分岐部から分岐した２つの分岐導波路の各々には、第２の分岐部と第３の分岐部が接続配置されると共に、前記第２の分岐部と前記第３の分岐部の各々はマッハツェンダー型光導波路を形成しており、
該第１の分岐部の分岐した２つの分岐導波路間に配置され、該第１の分岐部の股部分から該光導波路外に放射される放射光を案内する放射光ガイド導波路と、
該放射光ガイド導波路の終端部には、案内された放射光を吸収又は基板外に放出する光終端部が配置されてい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、該光終端部は、該基板上に配置された導電性部材であることを特徴とする光導波路素子。
請求項２に記載の光導波路素子において、該導電性部材は、該光導波路を伝搬する光を変調するための電極の一部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、該光終端部は、該放射光の主な伝搬方向に対する幅が８０μｍ以上の溝であることを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路素子において、前記第２の分岐部と前記第３の分岐部の各々はマッハツェンダー型光導波路を形成し、互いのマッハツェンダー型光導波路の最も近接した距離が２００μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。