JP7259486B2 - 光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、光変調器に関し、特に、複数のマッハツェンダー型光導波路を並列に配置し、一つのマッハツェンダー型光導波路に対し、２つの接地電極Ｇの間に２つの信号電極Ｓを配置したＧＳＳＧ型の差動電極構造を備えた光変調器に関する。

近年、光変調器には高速化や小型化のニーズが高まっている。このため、信号処理素子であるＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）の出力信号で直接変調器を駆動したり、光変調器の筐体内に信号増幅用のドライバ素子を内蔵することが検討されている。

ＤＳＰやドライバ素子の出力には、線路伝送中の外部ノイズなどの影響を抑制したり、低電圧での動作を可能とするために、差動出力構成が用いられている。これまで、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する結晶（ＥＯ結晶）を用いた光変調器では、特許文献１に示すような、一つのマッハツェンダー型光導波路に対して２つの信号電極Ｓの両側に接地電極Ｇを配置したＧＳＧＳＧ型の電極構造を用いて、差動信号を使用した光変調を行っている。

差動信号を印加する電極配置としては、特許文献２に示すように、ＬＮ基板上に１つのマッハツェンダー型光導波路を形成し、該マッハツェンダー型光導波路の各分岐導波路上に信号電極を配置すると共に、光導波路の外側で、各信号電極に近接して接地電極を配置する、所謂、ＧＳＳＧ型の電極構造が提案されている。また、特許文献３には、半導体型位相変調器において、差動の電気信号を利用し、ＧＳＳＧ型の電極構造が提案されている。

他方、コヒーレント通信用変調器などでは、複数のマッハツェンダー型光導波路を入れ子状に配置したネスト型光導波路など、複数のマッハツェンダー型光導波路を集積化した光変調器が使用されている。従来のＧＳＧＳＧ型の電極構造では、電極の数が多くなり、線路の配置設計が難しくなる。

また、集積化した光変調器においては、互いのマッハツェンダー型光導波路の電極間の間隔が狭くなり、隣接する光変調部での変調信号のクロストーク現象が発生し易くなる。しかも、変調速度が上昇するに従い、クロストーク現象の発生がより顕著となり、変調出力の品質劣化が大きな課題となっている。

クロストーク現象を抑制する方法として効果的なのが、隣接する光変調部の信号間隔を広くし、信号電極間の接地電極幅を広くすることであるが、それらのためには光導波路の間隔も広げる必要があり、分岐部等の光導波路の曲げに要する長さが長くなり、光変調器自体のサイズが大きくなるだけでなく、曲げによる光損失の増加も無視できなくなる。

仮に、電極の数を減らすため、ＧＳＳＧ型の電極構造を採用した場合には、接地電極間の間隔がＧＳＧＳＧ型と比較して広くなるため、電界が隣接する変調部（作用部）に漏出し易くなり、クロストーク現象がより発生し易くなる。

特開２０００－５６２８２号公報 特開平２－２９１５１８号公報 特開２０１７－１４２４８７号公報

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、複数のマッハツェンダー型光導波路を集積化した光変調器において、低電圧駆動が可能であり、クロストーク現象の発生を抑制した光変調器を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光変調器は、以下の技術的特徴を有する。
（１） 電気光学効果を有する基板に光導波路と制御電極が形成され、該光導波路は、複数のマッハツェンダー型光導波路が並列に配置される構造を有し、該制御電極は、一つの前記マッハツェンダー型光導波路に対し、２つの接地電極Ｇの間に２つの信号電極Ｓを配置したＧＳＳＧ型の差動電極構造を備えた光変調器において、前記２つの信号電極Ｓの間の距離Ｗ１は、隣接する信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間の距離Ｗ２の２倍未満に設定され、隣接するマッハツェンダー型光導波路に挟まれた該接地電極に、信号クロストークを抑制するためのクロストーク抑制手段を設け、該クロストーク抑制手段は、該接地電極の上面の少なくとも一部が該信号電極の上面より高くなるように、該接地電極と該基板との間に樹脂層を配置し、該樹脂層に対応して該接地電極の上面に突出部を形成したことを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光変調器において、該クロストーク抑制手段は、該接地電極の下面の少なくとも一部が該信号電極の下面より低くなるように設定されていることを特徴とする。

（３） 上記（２）に記載の光変調器において、該接地電極は、該信号電極に対向する側面部分がその他の本体部分から切り離されており、該側面部分と該本体部分との間には、光導波路の延在する方向に沿って部分的に電気的接続が施されていることを特徴とする。
（４） 上記（２）又は（３）に記載の光変調器において、該接地電極の該突出部には、該信号電極に対向する該接地電極の側面部分から離れ、該側面部分の高さより局所的に高くなった部分であることを特徴とする。

本発明は、電気光学効果を有する基板に光導波路と制御電極が形成され、該光導波路は、複数のマッハツェンダー型光導波路が並列に配置される構造を有し、該制御電極は、一つの前記マッハツェンダー型光導波路に対し、２つの接地電極Ｇの間に２つの信号電極Ｓを配置したＧＳＳＧ型の差動電極構造を備えた光変調器において、前記２つの信号電極Ｓの間の距離Ｗ１は、隣接する信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間の距離Ｗ２の２倍未満に設定され、隣接するマッハツェンダー型光導波路に挟まれた該接地電極に、信号クロストークを抑制するためのクロストーク抑制手段を設け、該クロストーク抑制手段は、該接地電極の上面の少なくとも一部が該信号電極の上面より高くなるように、該接地電極と該基板との間に樹脂層を配置し、該樹脂層に対応して該接地電極の上面に突出部を形成したため、低電圧駆動が可能であり、クロストーク現象の発生を抑制した光変調器を提供することが可能となる。

本発明の光変調器に係る第１の実施例を示す図である。 図１の光変調器における電気力線の分布の様子を示した図である。 本発明の光変調器に係る第２の実施例を示す図である。 本発明の光変調器に係る第３の実施例を示す図である。 本発明の光変調器に係る第４の実施例を示す図である。 図５の接地電極における側面部分と本体部分との接続構造を説明する図である。 本発明の光変調器に係る第５の実施例を示す図である。 本発明の光変調器に係る第６の実施例を示す図である。 本発明の光変調器に係る第７の実施例を示す図である。 本発明の光変調器に係る第８の実施例を示す図である。 本発明の光変調器における、信号電極間の距離と信号電極と接地電極との間の距離との関係を説明する図である。 本発明の光変調器に係る第９の実施例を示す図である。 本発明の光変調器に係る第１０の実施例を示す図である。

以下、本発明の光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光変調器は、図１に示すように、電気光学効果を有する基板１に光導波路１０と制御電極が形成され、該光導波路は、複数のマッハツェンダー型光導波路が並列に配置される構造を有し、該制御電極は、一つの前記マッハツェンダー型光導波路に対し、２つの接地電極Ｇ（Ｇ１とＧ２、又はＧ２とＧ３）の間に２つの信号電極Ｓ（Ｓ１とＳ２、又はＳ３とＳ４）を配置したＧＳＳＧ型の差動電極構造を備えた光変調器において、隣接するマッハツェンダー型光導波路に挟まれた該接地電極（Ｇ２）に、信号クロストークを抑制するためのクロストーク抑制手段を設けたことを特徴とする。

本発明に利用される電気光学効果を有する基板は、ニオブ酸リチウムなどの誘電体基板や、ＥＯポリマーなどの樹脂基板、半導体基板などが利用可能である。信号電極の下に導波路が配置される構造となるため、本発明に誘電体基板を用いる場合は、電気光学効果が基板の厚み方向が最も大きいＺカット型の基板が好ましい。

電気光学効果を有する基板１を、例えば、２０μｍ以下の薄板で利用する場合には、機械的強度を高めるため、保持基板２が利用される。保持基板２は、電気光学効果を有する基板１よりも屈折率が低い材料で形成され、例えば、石英やガラス、樹脂などで構成される。

本発明の光変調器は、ネスト型光導波路のように、複数のマッハツェンダー型光導波路が並列に配置された光導波路を備えたものであり、図１は、２つの隣接するマッハツェンダー型光導波路を光波の進行方向に対して垂直に切断した断面図を示したものである。信号電極Ｓ１とＳ２の下にある基板１の盛上り部分（リッジ部分）１０が、マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐導波路である。また、信号電極Ｓ３とＳ４の下にあるリッジ部分１０は隣接するマッハツェンダー型光導波路の分岐導波路である。光導波路は基板に形成したリッジ部分のみでも良いが、後述するように、ＬＮ基板にＴｉを熱拡散して、光導波路とすることも可能である。

制御電極は、基板上にＡｕなどの導電体をメッキ法で形成したものであり、変調信号を印加する信号電極（Ｓ１～Ｓ４）や接地電極（Ｇ１～Ｇ３）、また、位相調整やドリフト制御を行うためのＤＣバイアス電極などがある。

本発明の特徴は、制御電極、特に、高速な変調信号を印加する信号電極や接地電極にＧＳＳＧ型の差動電極構造を備えたことである。特許文献２に示すような従来のＧＳＳＧ型では、差動信号電極間の距離が大きく離れているため光導波路に電界を印加する際に、隣接する信号電極と接地電極との間に発生する電界を専ら利用していた。しかしながら、本発明の光変調器では、図２に示すように、従来のような、信号電極と接地電極との間に発生する電界（Ｓ１とＧ１との間、又はＳ２とＧ２との間）だけでなく、差動信号電極間の距離を近づけることにより信号電極間の電界（Ｓ１とＳ２との間）を利用している。むしろ、信号電極間の電界を積極的に利用したものである。図２が示すように、信号電極間の電界（Ｓ１とＳ２との間、差動信号の同相信号と逆相信号の電位差による電界）の強度は、信号電極と接地電極との間の電界の強度よりも高くなるため、差動信号による低駆動電圧化の効果をより一層高めることが可能となる。

また、本発明の特徴は、ＧＳＳＧ型の欠点であるクロストーク現象の発生を抑制するため、隣接するマッハツェンダー型光導波路に挟まれた該接地電極に、信号クロストークを抑制するためのクロストーク抑制手段を設けることである。クロストーク抑制手段の具体的構成としては、図１に示すように、接地電極（Ｇ１～Ｇ３）の上面（高さＨＬ２）の少なくとも一部が信号電極（Ｓ１～Ｓ４）の上面（高さＨＬ１）より高く、かつ該接地電極の下面（高さＬＬ２）の少なくとも一部が該信号電極の下面（高さＬＬ１）より低くなるように設定している。図１では、便宜上、信号電極Ｓ４と接地電極Ｇ３を用いて高さ比較しているが、当該構成は、信号電極（Ｓ１とＳ２、又はＳ３とＳ４）と接地電極Ｇ２との関係にも当て嵌まる。

図３及び４は、本発明の他の実施例であり、接地電極の上面に局所的に高い部分を形成したものである。図３では、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれか一方を材料とするフォトレジストなどの樹脂層３を利用して、その上部に接地電極（Ｇ１～Ｇ３）を積層すると、樹脂層３に対応して、接地電極の上面に突出部３０が形成される。この突出部３０により、クロストークに係る電界が接地電極を跨いで、隣のマッハツェンダー型光導波路や隣の信号電極に到達するのを抑制する。樹脂層の代わりに誘電体（ＳｉＯ２等）を製膜・パターニングした層を用いることも可能であるが、フォトレジストを用いた場合は１μｍよりも厚い（３～５μｍ程度）の比較的厚い層を容易に形成できるため、本発明ではより好適である。しかも、フォトレジストは、フォトリソグラフィプロセスによってパターン形状や厚さ等を制度良く容易にコントロールすることが可能であるため、本発明により好適に用いることができる。

図４では、信号電極（Ｓ１～Ｓ４）と接地電極（Ｇ１～Ｇ３）との間で、電界集中する接地電極の側面部分４１は信号電極と同じ位置に設定している。そして、それ以外の接地電極の部分で、信号電極の上面より高い部分や信号電極の下面より低い部分を形成している。高さの異なる部分を形成する際には、樹脂層４を利用することも可能である。当然、樹脂層４のみで形成できない段差は、厚みの違う電極を多段に形成する等の手法が利用されている。

図５乃至図７は、他の実施例であり、接地電極（Ｇ１～Ｇ３）は、信号電極（Ｓ１～Ｓ４）に対向する側面部分（５，６）がその他の本体部分（５１，６１）から切り離されており、該側面部分と該本体部分との間には、光導波路の延在する方向に沿って部分的に電気的接続部分（５０，６０）が施されている。

図５では、接地電極の側面部分５と本体部分５１とが同じ高さとなっているが、図７では、信号電極と接地電極との間で電界集中する側面部分６を信号電極と同じ高さにし、本体部分６１（着目している側面部分６より外側にある接地電極部分）の高さをより高く設定している。図６の構成で、より電界が接地電極を超えて隣接する信号電極に漏出しクロストークが発生するのを抑制している

図５及び図７で、接地電極の側面部分（５，６）と本体部分（５１，６１）とを電気的に接続する接続部分（５０，６０）は、側面部分５が延在する方向（光導波路が延在する方向でもある）に沿って部分的に配置されている。接続部分５０は側面部分や本体部分と同じ材料で、一体的に形成することも可能である。接続部分５０の配置間隔は、変調信号で使用する変調周波数あるいは変調シンボルレートと等しい周波数のマイクロ波の波長の４分の１以下、好ましくは１０分の１程度が好ましい。

また、図８に示すように、電極のパターニングを複数回行い、厚みの違う電極を形成することで、接続部分７０を側面部分７よりも上面を低く下面を高く形成し、本体部分７１と側面部分７を部分的に接続する構成としてもよい。

図９及び図１０は、他の実施例であり、本発明の光変調器で使用するＧＳＳＧ型の差動電極構造では、信号電極間（Ｓ１とＳ２との間、又はＳ３とＳ４との間）により強い電界が発生している。この位置に光導波路を配置することで、効率良く光変調を行うことが可能となる。

図９は、基板１のリッジ部分にＴｉ等を熱拡散した光導波路１１を形成したものであり、光導波路１１の形成位置を、信号電極（Ｓ１～Ｓ４）の真下ではなく、真下よりも他の信号電極により近い位置に形成している。

図１０では、リッジ部分１０が光導波路となっているため、信号電極Ｓ１とＳ２との間で、よりリッジ部分１０が露出するように、信号電極Ｓ１を接地電極Ｇ１側に、信号電極Ｓ２を接地電極Ｇ２側に寄せて配置している。
なお、リッジ部分の基板の厚さは２～４μｍ程度であり、基板１のリッジ部分を除く厚みは１～２μｍに設定されている。

図１１は、本発明の光変調器における、信号電極間の距離Ｗ１と信号電極と接地電極との間の距離Ｗ２の関係について説明する図である。仮に、信号電極Ｓ１に＋Ｖの信号電圧が印加され、信号電極Ｓ２に－Ｖの信号電圧が印加されているとする。この場合、接地電極は±０であるから、信号電極と接地電極との間（Ｓ１とＧ１、Ｓ２とＧ２）には、電位差Ｖが発生している。これに対し、信号電極間（Ｓ１とＳ２）には、２Ｖの電位差が発生している。

本発明の光変調器では、信号電極間の電位差２Ｖを有効に活用することを意図しており、このためには、距離Ｗ１は距離Ｗ２の２倍未満に設定することが必要である。

上記説明では、図１２に示すように、主に保持基板８を用いた例を中心に説明したが、図１３に示すように、低屈折率層９を介して保持基板８０で保持するよう構成しても良い。この場合は、保持基板８０は基板１と比較して低屈折率である必要はない。また、低屈折率層は、樹脂などの接着剤を利用することも可能である。

以上説明したように、本発明によれば、複数のマッハツェンダー型光導波路を集積化した光変調器において、低電圧駆動が可能であり、クロストーク現象の発生を抑制した光変調器を提供することが可能となる。

１ 電気光学効果を有する基板
１０ リッジ部分（光導波路）
１１ 光導波路
２，８ 保持基板（低屈折率材料）
９ 低屈折率層
８０ 保持基板
Ｓ１～Ｓ４ 信号電極
Ｇ１～Ｇ３ 接地電極

Claims (4)

1. 電気光学効果を有する基板に光導波路と制御電極が形成され、
   該光導波路は、複数のマッハツェンダー型光導波路が並列に配置される構造を有し、
   該制御電極は、一つの前記マッハツェンダー型光導波路に対し、２つの接地電極Ｇの間に２つの信号電極Ｓを配置したＧＳＳＧ型の差動電極構造を備えた光変調器において、
   前記２つの信号電極Ｓの間の距離Ｗ１は、隣接する信号電極Ｓと接地電極Ｇとの間の距離Ｗ２の２倍未満に設定され、
   隣接するマッハツェンダー型光導波路に挟まれた該接地電極に、信号クロストークを抑制するためのクロストーク抑制手段を設け、
   該クロストーク抑制手段は、該接地電極の上面の少なくとも一部が該信号電極の上面より高くなるように、該接地電極と該基板との間に樹脂層を配置し、該樹脂層に対応して該接地電極の上面に突出部を形成したことを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載の光変調器において、該クロストーク抑制手段は、該接地電極の下面の少なくとも一部が該信号電極の下面より低くなるように設定されていることを特徴とする光変調器。
3. 請求項２に記載の光変調器において、該接地電極は、該信号電極に対向する側面部分がその他の本体部分から切り離されており、該側面部分と該本体部分との間には、光導波路の延在する方向に沿って部分的に電気的接続が施されていることを特徴とする光変調器。
4. 請求項２又は３に記載の光変調器において、該接地電極の該突出部は、該信号電極に対向する該接地電極の側面部分から離れ、該側面部分の高さより局所的に高くなった部分であることを特徴とする光変調器。

Images