JP6582821B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

本発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路とを備えた光導波路素子に関する。

近年、光通信や光計測の分野において、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成すると共に、光導波路内を伝播する光波を制御するための制御電極を形成した導波路型光変調器などの光導波路素子が多用されている。
長距離伝送のために、光変調器に入射する光の強度を高くした際には、消光比の劣化、光損失の増大、バイアス点の変動などが問題となる。特に、光入力強度が１０ｍＷ以上になると、このような問題が顕著となる。

これらの問題は、主に、光変調器に光を入力する入力部及び光変調器内の光導波路などからリークした迷光と、光導波路内を伝播する信号光とが相互に干渉することにより、フォトリフラクティブ現象が発生し、これにより光導波路部にグレーティングを形成していることが、大きな原因であることが知られている。
このような光導波路部に形成されたグレーティングは、光導波路内を進行する信号光を、進行方向とは逆方向に戻しリターンロスを悪化させたり、若しくは、光導波路外へ反射させることにより、信号光の消光比の劣化を引き起こすこととなる。

フォトリラクティブ現象とは、光が当たることにより物質の屈折率が変化する現象である。具体的には、光により物質中の電荷移動が発生する特性から、光干渉などにより空間的な光の強度分布が生じると、該光の強度分布に応じて電荷の再分布が起こる。そして、電荷の再分布により生じた電荷の偏在により内部電界が局所的に変化する。内部電場は物質の屈折率を変化させるため、結果として、光の強度分布に対応した物質の屈折率分布が形成される。
しかも、フォトリフラクティブ現象は、物質に光を当て続けると、次第に屈折率が変化し、散乱が時間と共に強くなるという特性を有するため、長時間にわたる光変調器の駆動に際しては、特に、消光比の劣化や光損失の増大など光変調器特性の悪化が顕著となる。

そこで、フォトリラクティブ現象を緩和させるための種々の手法が検討されている。例えば、ＬＮ基板に溝を形成して光導波路を迷光から遮蔽する方法や、その溝に光吸収材料を充填する方法が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、ＬＮ基板への溝形成（及び光吸収材料の充填）による温度特性の劣化や、不純物拡散に起因するＬＮ基板表面の荒れによる光導波損失の増大が懸念される。

また、フォトリラクティブ現象を緩和させるための別の手法として、例えば、Ｍｇ、Ｚｎ添加ＬｉＮｂＯ₃の利用や、高い素子温度での使用等が提案されている（特許文献２、３参照）。しかしながら、Ｍｇ、Ｚｎ添加ＬｉＮｂＯ₃結晶をＬＮ変調器に用いた場合、分極反転閾値が低くなり、使用可能な印加電圧が小さくなってしまうため、集積化には不向きである。また、ＬＮ変調器の素子温度を上げた場合、温度制御の電力が必要であることや、ＬＮ変調器固有のＤＣドリフト現象を増大させてしまうことから、適用が困難である。

特開２００４−９３９０５号公報 特許第４０６７８４５号公報 特許第４１１１０７５号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記のような問題を解決し、基板材料のフォトリフラクティブ効果に起因する現象を抑制できる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ような技術的特徴を有する。
（１） 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路とを備えた光導波路素子において、該光導波路は、該光導波路素子の外部から光が入力される入力導波路部と、該入力導波路部に入力された光を複数の分岐導波路部に分岐させるＹ字状の分岐部とを有し、該分岐部の上側を少なくとも覆うように、光吸収により発熱する光吸収部材が配置されたことを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光導波路素子において、該光吸収部材は、該入力導波路部の全体の上側、または、該入力導波路の一部の上側を更に覆うように配置されたことを特徴とする。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光導波路素子において、該光吸収部材は、該光導波路に沿って延びる所定幅の部材であることを特徴とする。

（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光導波路素子において、該光吸収部材の一部に、該光導波路に沿って貫通孔を設けたことを特徴とする。

（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、該光吸収部材は接地されていることを特徴とする。

（６） 上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路と該光吸収部材の間にスペーサを設けたことを特徴とする。

（７） 上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路は、前記複数の分岐導波路部からの光を合成するＹ字状の合成部と、該合成部で合成された光を該光導波路素子の外部に出力する出力導波路部とを有し、該合成部の上側を少なくとも覆うように、該光吸収部材が配置されたことを特徴とする。

（８） 上記（７）に記載の光導波路素子において、
該光吸収部材は、該出力導波路部の全体の上側、または、該出力導波路の一部の上側を更に覆うように配置されたことを特徴とする。

（９） 上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の光導波路素子において、該光吸収部材は、該光導波路に沿って複数配置され、前記複数の光吸収部材の各々による光の吸収量は、光の伝搬方向における該光吸収部材の配置順に小さいことを特徴とする。

（１０） 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路とを備えた光導波路素子において、該光導波路は、該光導波路素子の外部から光が入力される複数の入力導波路部と、前記複数の入力導波路部に入力された光を合成するＹ字状の合成部と、該合成部で合成された光を該光導波路素子の外部に出力する出力導波路部とを有し、該合成部の上側を少なくとも覆うように、光吸収により発熱する光吸収部材が配置されたことを特徴とする。

（１１） 上記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の光導波路素子において、該基板を収容する筐体を備え、該基板における該光吸収部材の配置部分を、該筐体の内面から離隔させたことを特徴とする。

本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路とを備えた光導波路素子において、該光導波路は、該光導波路素子の外部から光が入力される入力導波路部と、該入力導波路部に入力された光を複数の分岐導波路部に分岐させる分岐部とを有し、該入力導波路部及び該分岐部において、光強度が高くなる部分の上側を少なくとも覆うように、光吸収により発熱する光吸収部材が配置されたので、該光導波路を伝播する光による光吸収部材の発熱によってフォトリフラクティブ効果を低減させることができ、フォトリフラクティブ効果に起因する現象を抑制することができる。また、光導波路を発熱させる必要がある箇所に光吸収部材を配置するだけで局所的な加熱を行うことができ、加熱用に付加的な電源を設ける必要がない。

本発明の一実施形態に係る光導波路素子の第１構成例を示す図である。 入力光量を変化させた場合の入力側基板領域の温度変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光導波路素子の第２構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光導波路素子の第３構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光導波路素子の第３構成例の変形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光導波路素子の第４構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光導波路素子の第５構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光導波路素子の第６構成例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明に係る光導波路素子は、図１、図３〜図５に示すように、電気光学効果を有する基板１と、該基板１に形成された光導波路２とを備えた光導波路素子において、該光導波路２の少なくとも一部の上側を覆うように、光吸収により発熱する光吸収部材３が配置されたことを特徴とする。

図１には、本発明に係る光導波路素子の第１構成例を示してある。
光導波路素子に使用する基板１としては、ＬｉＮｂＯ₃，ＬｉＴａＯ₅又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）などの電気光学効果を有する基板を用いることが好ましい。
基板１に形成する光導波路２は、例えば、ＬｉＮｂＯ₃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、基板１に光導波路２に沿った凹凸を形成したリッジ型光導波路も利用可能である。また、基板１は、Ｘカット型であってもよく、Ｚカット型であってもよい。
光導波路２が形成された基板は、その裏面を研磨して所定厚（例えば９μｍ）にし、接着剤等を介して保持基板の上に貼り付けられる。

基板１には、光導波路２を伝播する光波を制御するための制御電極を構成する信号電極及び接地電極が形成される。これらの電極は、基板１の表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。更に、必要に応じて、光導波路形成後の基板１の表面に誘電体ＳｉＯ₂等のバッファ層や電荷分散膜等を設け、これらの上に電極を形成することも可能である。

光導波路２は、光導波路２の光入射端に接続されて、光導波路素子の外部から光が入力される入力導波路部２１と、入力導波路部２１からの光を分岐する分岐部２２と、該分岐部で分岐された各光に対して制御電極による制御が行われる複数の作用導波路部２３と、各作用導波路部２３からの光を合成する合成部２４と、光導波路２の光出射端に接続されて、合成部２４で合成された光を光導波路素子の外部に出力する出力導波路部２５とを有する。

基板１には、更に、光吸収により発熱する光吸収部材３が形成される。図１の例では、入力側の導波路部分（入力導波路部２１及び分岐部２２）を含む基板領域と、出力側の導波路部分（合成部２４及び出力導波路部２５）を含む基板領域とを上側から覆うように光吸収部材３を形成してある。
図１のような１つのマッハツェンダー干渉計だけで構成されたシングル構造のマッハツェンダー型導波路の場合には、光の減衰が小さいことから、光の入力側と出力側とで同程度のフォトリフラクティブ効果が発生することが想定される。そのため、入力側の基板領域と出力側の基板領域の２箇所に光吸収部材３を形成してある。

光吸収部材３の材料や形成方法に関しては特に指定はないが、金属膜を光吸収部材３に用いる場合には、例えば、表１を参考にして材料を選定することができる。表１には、Ｔｉ拡散導波路を有するＸｃｕｔのＬＮ基板の表面に金属膜を装荷したときに生じる過剰損失量を示してある。第１構成例では、材料としてＡｌを用い、スパッタ法にて光吸収部材３を形成している。

図２には、入力光量を変化させた場合の入力側基板領域の温度変化を示してある。本例では、Ｔｉ拡散導波路を有するＸｃｕｔのＬＮ基板で、入力光量と入力側の導波路部分のチップ温度との関係を示してあり、横軸は入力光量（ｄＢｍ）であり、縦軸はチップ温度（℃）である。また、光吸収部材３の膜を設けない場合を○印でプロットし、Ａｌ膜を光吸収部材３として設けた場合を□印でプロットし、Ｔｉ膜を光吸収部材３として設けた場合を△印でプロットしてある。

同図に示されるように、光吸収部材３の膜を設けない場合には、入力光量を増加させてもチップ温度は略一定だが、Ａｌ膜を設けた場合には、入力光量の増加に伴ってチップ温度が緩やかに上昇しており、Ｔｉ膜を設けた場合には、入力光量の増加に伴ってチップ温度が急激に上昇している。つまり、光導波路２の上側に光吸収部材３を配置することで、その部位を伝播する光によって光吸収部材３の発熱効果が得られることが分かる。
また、光吸収部材３の有無によるＯｎ／Ｏｆｆ消光比の劣化を比較したところ、吸収部材３を設けることでＯｎ／Ｏｆｆ消光比の劣化が改善していることを確認した。

図１に示した第１構成例では、入力側の基板領域と出力側の基板領域の全域を覆うように光吸収部材３を配置してあるが、これは一例に過ぎない。但し、分岐部２２や合成部２４にフォトリフラクティブ現象が発生すると、分岐比や合成比などに影響が生じて消光比の劣化などが懸念されるので、少なくとも分岐部２２及び合成部２４に光吸収部材３を形成し、その部分のフォトリフラクティブ現象を抑制することが好ましい。また、入力導波路部２１や出力導波路部２５は、光の強度が作用導波路部２３と比べて高いため、これらの部位にも光吸収部材３を形成し、その部分のフォトリフラクティブ現象を抑制することが好ましい。

なお、入力側の導波路部分（入力導波路部２１及び分岐部２２）や、出力側の導波路部分（合成部２４及び出力導波路部２５）について、その全体（全区間）を光吸収部材３で覆うことは必ずしも必要ではなく、光強度が高くなる部分を光吸収部材３で覆うようにしてもよい。入力側の導波路部分では、入力導波路部２１の全体、または、入力導波路２１の一部と分岐部２２の部分において光強度が高くなることが想定されるため、これらのいずれかを少なくとも覆うように光吸収部材３を設ければよい。また、出力側の導波路部分では、出力導波路部２５の全体、または、出力導波路部２５の一部と合成部２４の部分において光強度が高くなることが想定されるため、これらのいずれかを少なくとも覆うように光吸収部材３を設ければよい。

図３には、本発明に係る光導波路素子の第２構成例を示してある。
第２構成例では、入力側の導波路部分（入力導波路部２１及び分岐部２２）及びその近傍と、出力側の導波路部分（合成部２４及び出力導波路部２５）及びその近傍を覆うように、光導波路２に沿って延びる所定幅の光吸収部材３を配置してある。このように、光吸収部材３の配置を光導波路２の近傍部分に限定し、光吸収に寄与せずに熱を拡散させてしまう部分の面積を小さくすることで、光導波路２の温度を効率的に上昇させることができる。第２構成例では、第１構成例と同じ材料の光吸収部材３を用いたが、第１構成例よりも光導波路２の温度上昇が高くなり、フォトリフラクティブ現象の抑制効果が改善していた。

図４には、本発明に係る光導波路素子の第３構成例を示してある。
第３構成例では、第２構成例の光吸収部材３に対して、光導波路２と交わる方向の複数のスリットを光導波路２に沿って設けてある。このように、光吸収部材３の一部に、光導波路２に沿って図示したスリットのような貫通孔を設けることで、貫通孔の箇所での光吸収を抑制できるので、光強度の減衰量と発熱量とを調整しやすくなる。このような形状の光吸収部材３は、Ａｌ膜のように光吸収効率が低い材料を用いる場合よりも、Ｔｉ膜のように光吸収効率が高い材料を用いる場合に好適である。

なお、図４では、光吸収部材３に複数の貫通孔を設けることで、光吸収部材３の配置区間内において光導波路２を光吸収部材３で覆う部分と覆わない部分とを交互に形成し、光強度の減衰量と発熱量とを調整しているが、図５に変形例を示すように、光吸収部材３を光導波路２上に離散的に配置することでも、光吸収部材３の配置区間内において光導波路２を光吸収部材３で覆う部分と覆わない部分とを交互に形成でき、光強度の減衰量と発熱量とを調整できる。

図６には、本発明に係る光導波路素子の第４構成例を示してある。
第４構成例の光導波路素子における光導波路２は、入力導波路部２１からの光を分岐部２２で２つのマッハツェンダー型導波路部に分岐し、各々のマッハツェンダー型導波路部を伝播してきた光をマッハツェンダー型導波路部毎に設けた出力導波路部２５から出力する構造となっている。このような構造の場合、入力側の光強度よりも出力側の光強度の方が弱く、出力側は入力側に比べてフォトリフラクティブ現象が発生しにくいので、入力側の導波路部分（入力導波路部２１及び分岐部２２）のみに光吸収部材３を配置している。

なお、ここでは光吸収部材３を入力側の導波路部分（入力導波路部２１及び分岐部２２）のみに配置する構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、光導波路２に沿って複数の光吸収部材３を配置し、各々の光吸収部材３による光の吸収量を光の伝搬方向における光吸収部材３の配置順に小さくする構成としてもよい。ここで、光吸収部材３は、入力側の分岐部２２及びその後段の分岐部２２’の全てに対して設ける構成としてもよく、これら分岐部の一部に対して光吸収部材３を設ける構成としてもよい。また、各々の分岐部について、その分岐部及びその前段に接続された導波路部分に全体的に光吸収部材３を設けてもよく、そのうちの光強度が高くなる部分（例えば、分岐部前段の導波路部分全体、または、その導波路部分の一部と分岐部）だけに光吸収部材３を設けてもよい。光の吸収量は、光吸収部材３が光導波路２を覆う面積を調整したり、光吸収部材３の材料を選択することで調整してもよい。

図７には、本発明に係る光導波路素子の第５構成例を示してある。
第５構成例では、平面光波回路（ＰＬＣ）の後段に光導波路素子（ＬＮ）を接続した構造となっている。すなわち、平面光波回路（ＰＬＣ）で分岐された複数の光が、光導波路素子（ＬＮ）が持つ複数の入力導波路２１にそれぞれ入力され、各々の入力導波路２１に接続された複数の作用導波路部２３で制御電極による制御が行われた後に、その後段の各合成部２４’で合成され、その後さらに合成部２４で合成された後に、出力導波路部２５から光導波路素子（ＬＮ）の外部に出力される構造となっている。このような構造の場合、入力側の光強度よりも出力側の光強度の方が強く、出力側は入力側に比べてフォトリフラクティブ現象が発生し易いので、出力側の導波路部分（合成部２４及び出力導波路部２５）のみに光吸収部材３を配置している。

なお、ここでは光吸収部材３を出力側の導波路部分（合成部２４及び出力導波路部２５）のみに配置する構成としたが、出力側の合成部２４及びその前段の合成部２４’の全てに対して設ける構成としてもよく、これら合成部の一部に対して光吸収部材３を設ける構成としてもよい。また、各々の合成部について、その合成部及びその後段に接続された導波路部分に全体的に光吸収部材３を設けてもよく、そのうちの光強度が高くなる部分（例えば、合成部後段の導波路部分全体、または、その導波路部分の一部と合成部）だけに光吸収部材３を設けてもよい。

図８には、本発明に係る光導波路素子の第６構成例を示してある。
図８では、基板１を筐体４に収容した様子を示してあり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面断面図である。本例では、筐体４の底面部分に所定高さの台座４１を設け、台座４１の上に基板１を載置することで、基板１を筐体４の上面や側面だけでなく基板１の底面からも離隔させている。また、基板１における光吸収部材３の配置部分は、台座４１にも接しないように台座４１からはみ出させてある。このように、基板１における光吸収部材３の配置部分を筐体４の内面部分から離隔させることで、筐体４による熱の拡散を抑制し、光導波路２を効率的に温度上昇させることができる。なお、本例では、基板１と筐体４の内面部分との間隔を１〜２ｍｍ程度取っているが、筐体４に対する基板１の実装の仕方に応じて基板１と筐体４の内面部分との間隔を決めればよい。

以上のように、光導波路２の少なくとも一部の上側を覆うように光吸収部材３を配置することで、光導波路２を伝播する光による光吸収部材３の発熱によってフォトリフラクティブ効果を低減させることができ、フォトリフラクティブ効果に起因する現象を抑制することができる。また、光導波路２を発熱させる必要がある箇所に光吸収部材３を配置するだけで局所的な加熱を行うことができ、加熱用に付加的な電源を設ける必要がない。

なお、光吸収部材３のチャージアップが懸念されるため、光吸収部材３から熱が逃げない程度に、光吸収部材３を接地電位に接続しておくことが好ましい。
また、上記の各構成例では、光導波路２の上側に光吸収部材３を直接重ねて形成しているが、光導波路２と光吸収部材３の間にスペーサを設けることで、光吸収効率の調整を行うようにしてもよい。すなわち、例えば、光導波路２の上に（リアクティブ）スパッタにてスペーサを形成し、その後、光吸収部材３を蒸着にて形成する。スペーサとしては、種々の材料のものを用いることができる。例えば、ＳｉＯ₂，ＳｉＮ，Ａｌ₂Ｏ₃等のようにＬＮよりも屈折率が低い材料の膜を用いる場合には、膜が厚くなるに従って光吸収量が減少する。また例えば、ＴｉＯ₂，Ｓｉ，Ｃｕ₂Ｏ等のようにＬＮよりも屈折率が高い材料の膜を用いる場合には、膜の厚さによって光吸収量が変化する。つまり、スペーサの材料やその厚さに応じて光吸収効率を適宜に調整できる。

また、上記の各構成例では、光吸収部材３として金属膜を用いたが、光吸収により発熱する他の材料を用いても構わない。例えば、酸素欠損している酸化金属、半導体等を光吸収部材３として用いることができる。また、メタマテリアル等の構造を利用して光吸収を調整する方法などもある。
また、光導波路２を伝播する光の偏波面に応じて光吸収部材３の光吸収量による発熱量が変化する特性を利用して、光導波路２に対する入力光の偏波面を調整する偏波面調整機構を設け、偏波面調整機構により入力光の偏波面を調整することで、光吸収部材３の光吸収量による発熱量を調整してもよい。

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した内容に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能であることはいうまでもない。

以上説明したように、本発明によれば、基板材料のフォトリフラクティブ効果に起因する現象を抑制できる光変調素子を提供することができる。

１ 基板
２ 光導波路
３ 光吸収部材
４ 筐体
２１ 入力導波路部
２２，２２’ 分岐部
２３ 作用導波路部
２４，２４’ 合成部
２５ 出力導波路部
４１ 台座

Claims (11)

1. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路とを備えた光導波路素子において、
   該光導波路は、該光導波路素子の外部から光が入力される入力導波路部と、該入力導波路部に入力された光を複数の分岐導波路部に分岐させるＹ字状の分岐部とを有し、
   該分岐部の上側を少なくとも覆うように、光吸収により発熱する光吸収部材が配置されたことを特徴とする光導波路素子。
2. 請求項１に記載の光導波路素子において、
   該光吸収部材は、該入力導波路部の全体の上側、または、該入力導波路の一部の上側を更に覆うように配置されたことを特徴とする光導波路素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光導波路素子において、
   該光吸収部材は、該光導波路に沿って延びる所定幅の部材であることを特徴とする光導波路素子。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光導波路素子において、
   該光吸収部材の一部に、該光導波路に沿って貫通孔を設けたことを特徴とする光導波路素子。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光導波路素子において、
   該光吸収部材は接地されていることを特徴とする導波路素子。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光導波路素子において、
   該光導波路と該光吸収部材の間にスペーサを設けたことを特徴とする光導波路素子。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光導波路素子において、
   該光導波路は、前記複数の分岐導波路部からの光を合成するＹ字状の合成部と、該合成部で合成された光を該光導波路素子の外部に出力する出力導波路部とを有し、
   該合成部の上側を少なくとも覆うように、該光吸収部材が配置されたことを特徴とする光導波路素子。
8. 請求項７に記載の光導波路素子において、
   該光吸収部材は、該出力導波路部の全体の上側、または、該出力導波路の一部の上側を更に覆うように配置されたことを特徴とする光導波路素子。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光導波路素子において、
   該光吸収部材は、該光導波路に沿って複数配置され、
   前記複数の光吸収部材の各々による光の吸収量は、光の伝搬方向における該光吸収部材の配置順に小さいことを特徴とする光導波路素子。
10. 電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路とを備えた光導波路素子において、
    該光導波路は、該光導波路素子の外部から光が入力される複数の入力導波路部と、前記複数の入力導波路部に入力された光を合成するＹ字状の合成部と、該合成部で合成された光を該光導波路素子の外部に出力する出力導波路部とを有し、
    該合成部の上側を少なくとも覆うように、光吸収により発熱する光吸収部材が配置されたことを特徴とする光導波路素子。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の光導波路素子において、
    該基板を収容する筐体を備え、
    該基板における該光吸収部材の配置部分を、該筐体の内面から離隔させたことを特徴とする光導波路素子。

Images