JPH04149408A - 光変調素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電界印加により屈折率が変化する材料を利用し
た光変調素子に関する。

〔概　要〕

本発明は、電界印加により屈折率が変化する光導波路に
絶縁バッファ層を介して高周波電界を印加する構造の光
変調素子において、 電極を導波路側に凸形状とすることにより、光の強度が
強い場所に強い変調電界を印加できるようにするもので
ある。

〔従来の技術〕

ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムは、電界を印加
することにより屈折率が変化する電気光学効果を示すこ
とから、このような性質を利用した光変調素子が従来か
ら知られている。

第３図はニオブ酸リチウムを用いた従来例光変調素子の
断面図である。

ニオブ酸リチウム基板１には光導波路２が形成され、基
板１の表面には５ｉｎ２絶縁バッファ層３が形成され、
この絶縁バッファ層３を介して光導波路２に高周波電界
を印加するため、絶縁バッファ層３の表面に電極４．４
′が設けられている。

電極４．４′間に高周波、特にマイクロ波を供給すると
、光導波路２の部分に高周波電界が印加される。この電
界により光導波路２の屈折率が変化し、その内部を伝搬
する光に位相変調を施すことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の構造の光変調素子では、電極の下に印加
される電界強度が弱く、しかも、光の強度分布に対して
電界分布が整合していなかった。

本発明は、以上の課題を解決し、光の強度が強い場所に
強い変調電界を印加できる光変調素子を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光変調素子は、光導波路の近傍の絶縁バッファ
層の表面に光導波路に沿って一以上の溝が設けられ、電
極にはこの溝と相補的な凸形状が設けられたことを特徴
とする。

〔作　用〕

電極が光導波路側に凸形状となっているため、電界を光
導波路に集中させることができる。これにより、変調効
率を高めることができ、駆動電圧を引き下げることがで
きる。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例の光変調素子の斜視図を示し
、第２図は断面図を示す。

この実施例は、電界印加により屈折率が変化する材料と
してニオブ酸リチウムいＮｂＯ，を用い、ＬｉＮｂ０．
基板１の一部に光導波路２を形成したものである。この
光変調素子はさらに、光導波路２に沿って配置されこの
光導波路２に高周波電界を印加する実質的に平行な二つ
の電極４．４′と、この二つの電極４．４′のそれぞれ
と光導波路２との間に設けられたＳｉｎ、絶縁バッファ
層３とを備える。

電極４．４′の一端には電源５が接続され、他端には終
端抵抗６が接続される。

電極４．４′の一端に電源５から高周波、特にマイクロ
波を入力すると、この高周波は電極４．４′に沿って伝
搬し、電極４．４′の他端に接続された終端抵抗６に伝
わる。このとき、高周波の電界が絶縁バッファ層３を通
って光導波路２に伝わり、その領域の屈折率を変化させ
る。これにより、光導波路２を伝搬する光の位相が変化
する。

このときの変調感度は、光のパワー分布と高周波電界と
の重なりの状態によって決まり、光のより強い部分に強
い高周波電界を集中させると、低電圧駆動が可能となる
。

そこで本実施例では、光導波路２の近傍の絶縁バッファ
層３０表面に光導波路２に沿って溝７を設け、電極４に
はこの溝７と相補的な凸形状を設けている。

この構造により、絶縁バッファ層３の真下、すなわち光
導波路２の部分に高周波電界が効率的に印加され、変調
効率が高まる。

第１図および第２図には光導波路２に隣接する部分に溝
および凸形状を設けた例を示したが、これに加えて、光
導波路２と離れた電極４′の側にも溝および凸形状を設
けてもよい。

第４図ないし第６図は電極４および溝７の形状の変形例
を示す。

第１Ｉ！ｌおよび第２図では、溝の断面形状が矩形の場
合の例を示した。本発明はこの形状に限定されるもので
はなく、例えば第４図の例では、溝の断面形状および電
極の凸形状が三角形である。また、第５図の例では、矩
形の角が切り取られた形状である。第６図の例では、溝
の断面形状および電極の凸形状は矩形であるが、電極の
他の部分が絶縁バッファ層から離れた形状である。

第７図は本発明第二実施例の光変調素子を示す断面図で
ある。

この実施例は、ＭＺ型強度変調器に本発明を実施したも
のであり、入力側で光導波路２から分岐して電極４′側
を通過した後に再び光導波路２と合流する光導波路２′
を備え、絶縁バッファ層３の光導波路２′の近傍の表面
には光導波路２′に沿って溝７′を備え、電極４′には
この溝７′と相補的な凸形状が設けられていることが第
一実施例と異なる。

ＭＺ型強度変調器は分岐干渉型変調器とも呼ばれ、入力
側で光を二つに分岐し、少なくともその一方の位相を変
化させた後に二つの光を合波して干渉させるものである
。第７図には、光導波路が二つに分岐した部分の断面を
示した。このような変調器の詳細は、例えば、西原他共
著、オーム社刊、光集積回路、第１版、第３００頁ない
し第３０１頁に示されている。

第８図は本発明第三実施例の光変調素子を示す断面図で
ある。

この実施例は、絶縁バッファ層３が電極４．４′より狭
い幅に形成され、電極４．４′のそれぞれの側の絶縁バ
ッファ層３にそれぞれ溝７．７′が設けられ、これに対
応して電極４．４′のそれぞれに凸形状が設けられたこ
とが第一実施例と異なる。絶縁バッファ層３０幅が電極
４．４′より狭い構造の光変調素子については、本願出
願人によりすでに特許出願されている（特願平１−２１
１０１３、特願平１−３１１４６７）。本実施例は、こ
の先の特許出願で示された構造に本発明を組み合わせた
ものである。

電気光学効果を利用した光変調素子の変調感度、すなわ
ちπの位相変化を生じさせるのに要する駆動電圧（以下
「半波長電圧」という）Ｖπは、１／Ｖｙｒｏｃｆｆ　
Ｅ（ｘ、ｙ）　　Ｐ（ｘ、ｙ）　ｄｘｄｙと表される。

ただし、 Ｅ　（ｘ、　ｙ）　　：変調電界分布 Ｐ　（ｘ、　ｙ）　　：光の強度分布 である。

すなわち、光の強度の強い場所に強い変調電界が印加さ
れるように変調電界分布を制御できれば、半波長電圧Ｖ
πを下げることができる。実際に、光導波路内での光の
強度分布はその光導波路の中央付近に集中するため、こ
の部分に強い電界を印加すれば、半波長電圧Ｖπを下げ
ることができる。

第９図および第１０図は電界分布の計算値を示す。

第９図は従来例の電界分布であり、第１０図は第三実施
例の電界分布である。この計算は有限要素法により行っ
た。この計算において、基板１および光導波路２の材質
をＬｉＮｂＯ２、絶縁バッファ層３の材質をＳｉｎ、、
電極４．４′の材質を金へ〇とした。

また、各部の寸法は、 電極４の幅Ｗ＝１０μｓ 電極４．４′の間隔Ｇ＝１０．ｃｃｍ 電極４．４′の厚さｔ＋＝１０μｍ 絶縁バッファ層３の厚さｔ　２　＝１．２　ｔａｎ　（
第９図）絶縁バッファ層３の厚い部分の厚さ ｔｚ　＝１．６　ｔｔｔｎ　（第１０図）絶縁バッファ
層３の薄い部分の厚さ ｔ３＝０．４μｓ 電極４の下の絶縁バッファ層３の輻ａ＋＝８μｓ溝７０
幅ａ２＝２μｍ とし、第１０図の場合には、絶縁バッファ層３が電極４
の中央に配置され、溝７が絶縁バッファ層３の中央に配
置されているものとした。

第９図に示したように、従来例の場合には、電界分布は
電極の真下の部分において均一で、不要な部分にも電界
が印加される結果となっている。

これに対して第１０図に示した実施例では、凸型形状を
取り入れることにより、凸の真下に強い電界が印加され
る。この効果を利用して、光導波路を凸の真下に配置す
れば、半波長電圧Ｖπを低下させることが可能となる。

第１１図ないし第１３図は、光と変調電界との相互作用
長を１ｃｍとしたときの半波長電圧Ｖπ、特性インピー
ダンスＺ。、変調帯域Δｆの関係を示す。

第１１図は、第３図に示した従来例の構造について、絶
縁バッファ層３の厚さｔ２をパラメータとして計算によ
り求めた値である。また、第１２図および第１３図は、
第８図に示した第三実施例の構造について、絶縁バッフ
ァ層３の薄い部分の厚さｔ３および溝７の幅ａ２をそれ
ぞれパラメータとして求めた値である。

第１２図および第１３図の値は、 電極４の幅Ｗ＝１０μ■ 電極４．４′の間隔Ｇ＝１０ｕＪ 電極４．４′の厚さｔ１＝１０ＪＩＪＩＪ絶縁バッファ
層３の厚い部分の厚さ ｔ２＝２μｍ（第１２図、第１３図） 絶縁バッファ層３の薄い部分の厚さ ｔ３　＝０．４μｓ（第１３図） 電極４の下の絶縁バッファ層３０幅 ａ１＝８即く第１２図、第１３図） 溝７０幅ａ２＝４ｐ（第１２図） とし、第１２図、第１３図の場合には、絶縁バッファ層
３が電極４の中央に配置され、溝７が絶縁バッファ層３
の中央に配置されているものとして求めた。

また、半波長電圧Ｖπの計算については、深さ５．５癖
、幅１１μ０のスポットサイズで光導波路２を伝搬する
光を対象とした。

ここで、特性インピーダンス５０Ωとして第１１図ない
し第１３図を参照すると、半波長電圧Ｖπおよび変調帯
域Δｆは次の表のようになる。

半波長電圧Ｖπ、変調帯域Δｆは、どちらも相互作用長
に反比例するため、同じ変調帯域Δｆで半波長電圧Ｖπ
を比較すると、実施例の構造により半波長電圧Ｖπを半
分以下に下げることができる。

以上の説明では、電界印加により屈折率が変化する材料
としてＬｉＮｂ０．を用いた例を示したが、タンタル酸
リチウムＬｉＴａ０．を用いても本発明を同様に実施で
きる。

また、このような材料の基板に光導波路を形成するには
、通常はＴｉ拡散が用いられ、基板の一部の屈折率を変
化させている。したがって、光導波路は基板内に形成さ
れる。しかし、基板上に光導波路を積層させることもで
き、その場合にも本発明を同様に実施できる。

絶縁バッファ層としては、５ｉｎ２の他に、アルミナや
窒化膜を用いることができる。

本発明の光変調素子は、それ自体が光位相変調として用
いられるだけでなく、マツハツエンダ干渉計の一方の光
路に挿入されて光強度変調器の構成要素として用いられ
る。

以上の実施例では溝７が一つの場合について示したが、
本発明は、溝の本数が複数でも同様に実施でき、電界強
度分布プロファイルをさらに変化させることができる。

光導波路に沿って三本の溝を設けた場合の電界分布の計
算値を第１４図に示す。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光変調素子は、変調効率
が高く、小さな変調電圧（電力）で動作させることが可
能となる効果がある。また、絶縁バッファの溝および電
極の形状を選択することにより、電圧強度分布プロファ
イルを所望の形状に設定できる効果がある。

４、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例光変調素子の斜視図。 第２図は断面図。 第３図は従来例光変調素子の断面図。 第４図ないし第６図は電極および溝の形状の変形例を示
す図。 第７図は本発明第二実施例の光変調素子を示す断面図。 第８図は本発明第三実施例の光変調素子を示す断面図で
ある。 第９図は従来例における電界分布の計算値を示す図。 第１０図は第三実施例における電界分布の計算値を示す
図。 第１１図は従来例における半波長電圧Ｖπ、特性インピ
ーダンスＺ０および変調帯域Δｆの関係を示す図。 第１２図は第三実施例における半波長電圧Ｖπ、特性イ
ンピーダンス２゜および変調帯域Δｆの関係を示す図。 第１３図は第三実施例における半波長電圧Ｖπ、特性イ
ンピーダンスＺ。および変調帯域Δｆの関係を示す図。 第１４図は溝が複数の場合の電界分布の計算値を示す図
。 １・・・基板、２．２′・・・光導波路、３・・・絶縁
バッファ層、４．４′・・・電極、５・・・電源、６・
・・終端抵抗、７．７′・・・溝。 特許出願人　光計測技術開発株式会社 代理人　弁理士　井　出　直　孝 芹−失語例 晃　１　回 兇 ろ 口 第 図 纂 圏 あ 図 昂二夷記りｊ 亮　７　Ｍ 扇三夫ｉ汐１ ３１５８　　回 手続補正書 平成２年１１月２８Ｅ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電界印加により屈折率が変化する材料で形成された
   光導波路と、 この光導波路に沿って配置されこの光導波路に高周波電
   界を印加する実質的に平行な二つの電極と、 この二つの電極のそれぞれと前記光導波路との間に設け
   られた絶縁バッファ層と を備えた光変調素子において、 前記光導波路の近傍の前記絶縁バッファ層の表面には前
   記光導波路に沿って一以上の溝が設けられ、 前記二つの電極のうち前記溝に接する電極にはその溝と
   相補的な凸形状が設けられた ことを特徴とする光変調素子。