JPH06235891A

JPH06235891A - 光導波路デバイス

Info

Publication number: JPH06235891A
Application number: JP5022356A
Authority: JP
Inventors: Toru Sugamata; 菅又徹; Junichiro Minowa; 箕輪純一郎; Shinichi Shimozu; 下津臣一
Original assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Cement Co Ltd
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1994-08-23
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JP3570735B2

Abstract

(57)【要約】【目的】特に非常に高い周波数帯域でのチャーピング
発生を抑制し、同時に、変調効率の低下を防止でき、駆
動電圧の抑制が可能な光導波路デバイスを提供すること
を目的とする。【構成】電気光学効果を有する基板の上に、形成された
分岐導波路と導波光を制御する信号電極及び接地電極か
らなる光導波路デバイスであって、前記信号電極に電気
信号を与えることにより生じる前記基板内における電気
力線が、前記の分岐導波路に関して対称に生じるよう
に、前記接地電極の底面の一部と基板の相当部分の間に
ギャップを設けたことを特徴とする前記光導波路デバイ
スである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信用の超高速の外
部変調器、スイッチ、電界センサに利用する光導波路デ
バイスに関する。特に、チャーピングを抑制でき、低駆
動電圧を容易にできる光導波路デバイスの構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、高速光通信システムにおい
て、例えば１．６ＧＨｚの周波数までのシステムでは、
レーザダイオードを直接変調させる方式を用いている。
そこで、変調周波数がより高くなってくると、レーザダ
イオードの出力光の波長が、時間的に微小変動するチャ
ーピング現象が目だってくる。これが、光ファイバーの
分散特性により長距離通信の限界となっていた。これに
対して、レーザダイオードを、一定の出力光にし、外部
に変調器を設置する外部変調方式が本質的にチャーピン
グを少なくでき、超高速長距離光通信に向いていると考
えられ、多くの実験が行なわれるようになってきた。Ｌ
ｉＮｂＯ₃ 基板にマッハ・ツェンダ型の導波路を形成し
た外部変調器は、その代表例である。

【０００３】然し、本質的にチャーピングの少ない外部
変調器であっても、僅かながらチャーピングがあり、超
高速長距離通信システムに用いるためには、チャーピン
グの少ない外部変調器が望まれている。また同時に超高
速の電気信号を光信号に変換するため、より駆動電圧の
低い外部変調器が望まれている。

【０００４】また、高速の光変調方式としては、先にも
述べたように、レーザダイオードの直接変調の他に、レ
ーザ光を外部で変調する外部変調方式が知られる。特
に、電気光学効果を持つ基板、例えばＬｉＮｂＯ₃ にＴ
ｉを熱拡散させ、分岐光導波路を形成したマッハ・ツェ
ンダ型光変調器が外部変調器として良く知られる。図１
は、マッハ・ツェンダ型光変調器の例を示す。光導波路
４は、分岐導波路２、３に一度分岐し、各々の導波路上
に信号電極５と接地電極６が設けられる。そして、超高
速で変調を行なう場合には、電極はメッキ等により厚く
形成され、進行波電極として取り扱う。電極と導波路の
間には、電極による導波路の吸収を抑えるため、ＳｉＯ
₂ などのバッファー層が設けられる。分岐導波路２、３
を伝搬した光波は、合波して光導波路４に結合するよう
になっている。光導波路中を伝搬した光波は、信号電極
５に印加されたマイクロ波の電界（図２参照）により各
々の分岐導波路２、３を伝搬する光波の位相が変化し、
導波路４において合波することにより強度変調が行なえ
るようになっている。

【０００５】通常、この種の変調器に印加する電気信号
は、マイクロ波帯の高周波信号を使用するのは普通であ
り、このような高周波で電気的な安定性をとるため接地
電極６が図示のように信号電極５より十分に大きくなっ
ている。信号電極５の幅は、導波路中を伝搬する光波の
電界分布と、電気信号の電気力線との相互作用を効率良
く行なうため、導波路の幅とほぼ同じにする。このよう
な変調器では、前記のように、また、図２、３に示すよ
うに、信号電極５と接地電極６の大きさが異なるため、
基板１内に電気信号により形成される電気力線は、図２
の７で示すように、分岐導波路２、３に対して非対称に
なっている。このように、各々の分岐導波路にかかる電
気力線が非対称であると、各々の分岐導波路２、３での
変調効率が等しくなくなり、変調効率の非対称性に起因
するチャーピングが発生する。また、接地電極下の電気
力線は、導波光の電界分布に比べ広がってしまうため、
変調効率が低くなり、変調器の駆動電圧が高くなってし
まう。

【０００６】そこで、図５に示すように、分岐導波路
２、３の各々の真上に各々信号電極５を設置し、各々の
外側に接地電極６を配した構造が提案されている（特開
平２−１９６２１２号）。このような構造にすれば、変
調効率の非対称性に起因するチャーピングは少なくな
り、また導波光と光導波路にかかる電気力線との相互作
用も改善され、変調器の駆動電圧を低く抑えることがで
きる。然し乍ら、このように信号電極を２本或いはそれ
以上にすると、各々の光導波路のための信号電極に印加
するマイクロ波信号を各々逆電位にし、且つ、信号発生
タイミングを極めて高い精度で制御する必要があり、実
際上大変困難であり、変調器の駆動系が非常に複雑にな
る等の問題点がある。

【０００７】また、図２に示すような従来の電極構成で
は、分岐導波路２、３に対して、電気力線７が非対称に
なり、各々の導波路における変調効率が異なり、チャー
ピングが大きくなってしまうという問題があった。更
に、接地電極下の導波路における変調効率が低く、駆動
電圧が高くなってしまう問題もあった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、前
記のような、従来の光導波路デバイスにおける、特に非
常に高い周波数帯域でのチャーピング発生を抑制し、同
時に、変調効率の低下を防止でき、駆動電圧の抑制が可
能な光導波路デバイスを提供することを目的とする。ま
た、本発明は、そのようなチャーピングの抑制が、電極
構造を複雑にしないで、また駆動系の複雑化を避けて、
容易に達成できる光導波路デバイスを提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の技術的
な課題の解決のために、電気光学効果を有する基板の上
に、形成された分岐導波路と導波光を制御する信号電極
及び接地電極からなる光導波路デバイスであって、前記
信号電極に電気信号を与えることにより生じる前記基板
内における電気力線が、前記の分岐導波路に関して対称
に生じるように、前記接地電極の底面の一部と基板の相
当部分の間にギャップを設けたことを特徴とする前記光
導波路デバイスを提供する。その分岐導波路が、マッハ
・ツェンダ型光導波路であるものが好適である。また、
ギャップは、誘電体或いは空気で構成されているものが
好適である。

【００１０】

【作用】本発明によるＬｉＮｂＯ₃ 光導波路素子デバイ
スでは、光導波路の接地電極に、図３、４に示すように
接地電極の底面の一部と基板の相当部分の間にギャップ
を持たせた構造にする。すると、接地電極に生じる電界
は、接地電極下のギャップ部分の誘電率が、基板ＬｉＮ
ｂＯ₃ に比べて非常に小さいものになるので、導波路真
上にある電極部に集中する。従って、基板（１）内にお
ける電気力線が分岐導波路（２、３）上に関して対称に
なり、各々の導波路における変調効率が等しくなり、変
調効率の非対称性に基づくチャーピングが無くなる。ま
た、接地電極の大きさは、従来と変わらず、マイクロ波
等の高周波でも従来と同様に電気的に安定に使用するこ
とができる。

【００１１】また、更に従来では、接地電極下での変調
効率が低かったが、本発明の構造の電極により、接地電
極下であっても、電気力線と光導波路を伝搬する光波と
の相互作用が効率的に行なうことができ、より駆動電圧
の低い変調器を実現することができる。また、本発明の
構成の光導波路デバイスでは、信号電極を２本或いはそ
れ以上にする必要性はなく、従って、駆動系が複雑にな
るなどの問題点もない。以上のように、本発明の光導波
路デバイスでは、駆動系を複雑にすることなしに、駆動
電圧をより低くでき、且つチャーピングを抑えた光変調
器を提供することができる。

【００１２】次に、本発明を具体的に実施例により説明
するが、本発明はそれらによって限定されるものではな
い。

【００１３】

【実施例１】図３は、本発明による光導波路デバイス
を、マッハ・ツェンダ型光変調器を例にして、説明する
ための断面図である。即ち、図３のａに示すように、電
気光学効果を有する基板：ＬｉＮｂＯ₃ 基板１の上に、
形成された分岐導波路２を形成し、その上に導波光を制
御する信号電極５を形成し、そして、接地電極６を形成
した光導波路デバイスで、その接地電極６の底面の一
部：即ち、信号電極５と反対側の一部と基板の相当部分
の間にギャップ８を設けた構造である。即ち、接地電極
６の基板と接する部分の面積或いは幅が、信号電極５の
面積或いは幅とほとんど同じになるようにすると、図示
のように電気力線７が、対称形に形成され、導波路２中
での変調効率が等しくなり、チャーピングを抑制するこ
とができる。

【００１４】或いは、図３のｂに示すように、接地電極
６の信号電極５と反対側に、一定の間隔をあけて、断面
がコ字形状の接地電極６にしても構わない。図３のｂに
示すように、電気力線７を形成するときに、実質的に、
図３のａと同様になるものであれば、良いのである。図
３のａ或いはｂのいずれであっても、接地電極６の一部
に図示のようにギャップを設ける構造にすると、信号電
極５に電気信号を与えることにより生じる基板内におけ
る電気力線７が、図示のように、分岐導波路５に関して
対称に生じる。

【００１５】この光導波路は、ＺーカットのＬｉＮｂＯ
₃ 基板１に、フォトプロセスにより金属Ｔｉを、厚、約
８００Å、幅７μｍでパターン（２’、３’）蒸着し
（図６の１）、リフトオフした後、約１０００℃、２０
時間空気中で、熱拡散させることにより、直線導波路及
び光導波路２、３を形成している（図６の２）。この
後、電極による光の吸収損失を防ぐために、ＳｉＯ₂ バ
ッファー層１０を０．１〜１．０μｍ成膜した（図６の
３）。ここで、接地電極の一部の底部分に、ギャップ８
を形成するため、フォトレジストにより図６の４に示す
ようにパターン１１形成し、この上からＳｉＯ₂ を１〜
４μｍ成膜（１２）した（図６の５）。この後、リフト
オフを行ない、接地電極部分のギャップ部分（１２）だ
けを残し（図６の６）、図示にはないが、電極形成のた
めに、全面にＴｉ、Ａｕの順に蒸着した後、再びフォト
プロセスにより電極（１３）のパターン形成を行なった
（図６の７）。このとき、信号電極５の幅は、約７μｍ
で、接地電極６と信号電極５の間隔は１５μｍである。

【００１６】ここで、従来からある電気メッキ法により
信号電極５及び接地電極６の厚は、少なくとも１０μｍ
になるように形成した（図６の８）。このような光導波
路の構造の作成により、接地電極６下にＳｉＯ₂ による
ギャップ８（１２）を１〜４μｍ幅に作ることができ
る。以上、図３のａに示す構造の光導波路デバイスを作
製したものである。

【００１７】

【実施例２】図４は他の本発明の実施例を示す断面図で
ある。即ち、図６に示すような作成方法において、Ｓｉ
Ｏ₂ の代わりに、ＭｇＯを０．１〜１μｍ蒸着した構造
の電極を製作した。そして、前記のように、図６で説明
した工程で作製した後、酢酸で、ＭｇＯをエッチング除
去して、図４に示すようなエアギャップ（ギャップ間隔
０．１〜１μｍ）を有する光導波路デバイスを作製し
た。即ち、図４に示すように、電気光学効果を有する基
板：ＬｉＮｂＯ₃ 基板１の上に、形成された分岐導波路
２を形成し、その上に導波光を制御する信号電極５を形
成し、そして、接地電極６を形成した光導波路デバイス
で、その接地電極６の底面の一部：即ち、信号電極５と
反対側の一部と基板の相当部分の間に空気ギャップ８を
設けた構造である。

【００１８】以上の実施例１、２の構造の光導波路デバ
イスをケ−スに固定し、信号電極と接地電極を各々配線
し、光の入出力のためのファイバーを取り付け、光導波
路モジュールを完成することができる。このモジュール
の入射ファイバー側に、例えば１．５５μｍのＤＦＢレ
ーザ光を接続し、レーザ光の出力強度は一定にしてお
く。ここで、信号電極に例えば高周波である１０Ｇｂｉ
ｔ／秒のデジタル信号を印加すると、この電気信号によ
りＬｉＮｂＯ₃ 基板１内に電界が発生する。この電界の
状態を分かり易く電気力線で図３、４に示した。従来の
図２、５と較べると、接地電極下において導波路真上の
電極に電気力線が集中し、分岐導波路２、３に関して、
その分布が対称になる。

【００１９】このため従来の接地電極下での変調効率が
低くなっていたものが、改善され駆動電圧のより低い変
調器を実現することができる。また、各々の分岐導波路
における変調効率の非対称性に基づくチャーピングも、
この構成をとることにより改善されることが分かる。一
方、接地電極は信号電極に比べて従来通り十分大きくと
ることができるので、高周波でも電気的に安定して使用
することができる。

【００２０】以上の実施例では、マッハ・ツェンダ型光
変調器を用いて説明したが、光スイッチ等にも、同様
に、利用することができることは、明らかである。ま
た、基板材料としては、ＬｉＮｂＯ₃結晶の他にＬｉＴ
ａＯ₃やＰＬＺＴなどの電気光学効果を有するものなら
ば、どれでも使用できることは言うまでもない。また、
ＰＬＺＴ等、光導波路を形成することができる材料すべ
てに対しても利用することができる。また、実施例で説
明した製作工程は、一例であって、本発明の目的にかな
うものであれば、使用する材料、構成、製作過程など種
々組合わせたり、異なるものを用いても良い。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波路
デバイスの構造により、次のような顕著な技術的効果が
得られた。第１に、光変調器の駆動系を複雑にすること
なく、駆動電圧をより低くし且つチャーピングを抑制し
た光導波路デバイスを提供することができる。第２に、
従って、光ファイバーを用いた超高速長距離通信を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のマッハ・ツェンダ型変調器の１例の構造
を示す平面図である。

【図２】従来のマッハ・ツェンダ型変調器の構造を示す
断面図である。

【図３】本発明の光導波路デバイスの構造の具体例を示
す断面図である。

【図４】本発明の光導波路デバイスの構造の他の具体例
を示す断面図である。

【図５】従来のマッハ・ツェンダ型変調器の例を示す断
面図である。

【図６】本発明の光導波路デバイスの製作過程を各々の
工程順に示す断面図である。

【符号の説明】

１ＬｉＮｂＯ₃ 基板２、３分岐光導波路５制御電極６接地電極７電気力線８ギャップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する基板の上に、形成
された分岐導波路と導波光を制御する信号電極及び接地
電極からなる光導波路デバイスであって、前記信号電極に電気信号を与えることにより生じる前記
基板内における電気力線が、前記の分岐導波路に関して
対称に生じるように、前記接地電極の底面の一部と基板
の相当部分の間にギャップを設けたことを特徴とする前
記光導波路デバイス。
【請求項２】前記分岐導波路が、マッハ・ツェンダ型光
導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光導波
路デバイス。
【請求項３】前記のギャップは、誘電体で構成されてい
ることを特徴とする請求項１或いは２に記載の光導波路
デバイス。
【請求項４】前記のギャップは、空気で構成されている
ことを特徴とする請求項１或いは２に記載の光導波路デ
バイス。