JPH0667130A - 光制御素子 - Google Patents
光制御素子Info
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- JPH0667130A JPH0667130A JP21679292A JP21679292A JPH0667130A JP H0667130 A JPH0667130 A JP H0667130A JP 21679292 A JP21679292 A JP 21679292A JP 21679292 A JP21679292 A JP 21679292A JP H0667130 A JPH0667130 A JP H0667130A
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- optical
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
- G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
- G02F1/0356—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure controlled by a high-frequency electromagnetic wave component in an electric waveguide structure
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- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 電気光学結晶からなるデバイスの作製時の内
部応力や、基板とバッファ層あるいは、電極，パッケー
ジ等との熱膨張差による内部応力等に起因する光出力特
性のシフトを防止し、安定した光出力を得る。 【構成】 少なくとも１本の光導波路を表面近傍に備え
た電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された
バッファ層と、該バッファ層上に配置された電極とで構
成される光制御素子において、前記基板１０１、バッフ
ァ層１１３、電極１１４のうち少なくとも１つの、光導
波路１０２，１０３の近傍でかつ光導波路を伝搬する光
波の界分布に影響を与えない程度離れた位置に、所定の
幅、長さ及び深さの溝１１５を設ける。
部応力や、基板とバッファ層あるいは、電極，パッケー
ジ等との熱膨張差による内部応力等に起因する光出力特
性のシフトを防止し、安定した光出力を得る。 【構成】 少なくとも１本の光導波路を表面近傍に備え
た電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された
バッファ層と、該バッファ層上に配置された電極とで構
成される光制御素子において、前記基板１０１、バッフ
ァ層１１３、電極１１４のうち少なくとも１つの、光導
波路１０２，１０３の近傍でかつ光導波路を伝搬する光
波の界分布に影響を与えない程度離れた位置に、所定の
幅、長さ及び深さの溝１１５を設ける。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光波の変調，光伝送路
の切り替え等を行う能動的光デバイスとしての光制御素
子、特に、基板中に設けられた光導波路を用いて制御を
行う導波路形の光制御素子に関するものである。
の切り替え等を行う能動的光デバイスとしての光制御素
子、特に、基板中に設けられた光導波路を用いて制御を
行う導波路形の光制御素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、光通信システムの実用化が進むに
つれ、超大容量、高機能のシステムが要求されている。
そのため、より高速の光信号の発生、光伝送路の切り替
え、光伝送路の交換等の新たな機能の付加が必要とされ
ている。
つれ、超大容量、高機能のシステムが要求されている。
そのため、より高速の光信号の発生、光伝送路の切り替
え、光伝送路の交換等の新たな機能の付加が必要とされ
ている。
【０００３】現在の実用システムにおいては、光信号
は、半導体レーザや発光ダイオードの注入電流を直接変
調することによって得ているが、このような内部変調に
対して外部で変調を行う高速の光変調器や光スイッチ等
の光制御素子が必要となっている。
は、半導体レーザや発光ダイオードの注入電流を直接変
調することによって得ているが、このような内部変調に
対して外部で変調を行う高速の光変調器や光スイッチ等
の光制御素子が必要となっている。
【０００４】高速の光制御素子としては、電気光学効果
を利用する光制御素子が代表的であり、方向性結合器形
の光変調器やスイッチ、全反射形光スイッチ、マッハツ
ェンダ形の光変調器やスイッチに関する報告がなされて
いる。
を利用する光制御素子が代表的であり、方向性結合器形
の光変調器やスイッチ、全反射形光スイッチ、マッハツ
ェンダ形の光変調器やスイッチに関する報告がなされて
いる。
【０００５】例えば、１０Ｇｂ／ｓ以上の超高速信号の
変調器、あるいは、スイッチング素子として、電気光学
結晶であるＬｉＮｂＯ3結晶中にＴｉを拡散して形成し
た光導波路を利用する素子があり、マイクロ波と光波と
の速度整合を行った進行波電極を用いることにより２０
ＧＨｚ程度の変調帯域の値が得られている。
変調器、あるいは、スイッチング素子として、電気光学
結晶であるＬｉＮｂＯ3結晶中にＴｉを拡散して形成し
た光導波路を利用する素子があり、マイクロ波と光波と
の速度整合を行った進行波電極を用いることにより２０
ＧＨｚ程度の変調帯域の値が得られている。
【０００６】このような光変調器の従来例を図９及び図
１０に示す。図９は概略平面図、図１０は図９のＡ−Ａ
線断面図である。この光変調器は、マッハツェンダ形で
あり、電気光学効果を有するｚカットＬｉＮｂＯ3の基
板１０１の上に、一対の幅数〜数十μｍ、長さ数〜数十
ｍｍの光導波路１０２，１０３を互いに平行に数十μｍ
の間隔で近接した一対の光導波路を設け、この光導波路
上にそれぞれ進行波電極１１４を設け、光導波路１０
２，１０３と一組の電極１１４との間に、電極による光
吸収を防止するためのバッファ層（ＳｉＯ2膜）１１３
を介在させている。これらの光導波路１０２，１０３と
一組の電極１１４とにより、二つの位相変調形の光制御
素子が構成される。
１０に示す。図９は概略平面図、図１０は図９のＡ−Ａ
線断面図である。この光変調器は、マッハツェンダ形で
あり、電気光学効果を有するｚカットＬｉＮｂＯ3の基
板１０１の上に、一対の幅数〜数十μｍ、長さ数〜数十
ｍｍの光導波路１０２，１０３を互いに平行に数十μｍ
の間隔で近接した一対の光導波路を設け、この光導波路
上にそれぞれ進行波電極１１４を設け、光導波路１０
２，１０３と一組の電極１１４との間に、電極による光
吸収を防止するためのバッファ層（ＳｉＯ2膜）１１３
を介在させている。これらの光導波路１０２，１０３と
一組の電極１１４とにより、二つの位相変調形の光制御
素子が構成される。
【０００７】また、基板１０１の一端部上には、端面に
入射端１０８を持つ入力光導波路１０６が形成され、こ
の入力光導波路１０６と位相変調部光導波路１０２，１
０３とが、３ｄＢのＹ分岐部光導波路１０４により接続
されている。同様に、基板１０１の他端部上にも、入射
端１０８の反対側端面に出射端１０９を持つ出力光導波
路１０７が形成され、この出力光導波路１０７と位相変
調部光導波路１０２，１０３とが、３ｄＢのＹ合波部光
導波路１０５により接続される。なお、分岐・合波部光
導波路１０４，１０５の開き角は数ｍｒａｄであり、各
光導波路のパターン幅は５〜１０μｍである。
入射端１０８を持つ入力光導波路１０６が形成され、こ
の入力光導波路１０６と位相変調部光導波路１０２，１
０３とが、３ｄＢのＹ分岐部光導波路１０４により接続
されている。同様に、基板１０１の他端部上にも、入射
端１０８の反対側端面に出射端１０９を持つ出力光導波
路１０７が形成され、この出力光導波路１０７と位相変
調部光導波路１０２，１０３とが、３ｄＢのＹ合波部光
導波路１０５により接続される。なお、分岐・合波部光
導波路１０４，１０５の開き角は数ｍｒａｄであり、各
光導波路のパターン幅は５〜１０μｍである。
【０００８】次に、図９の光変調器の動作を説明する。
入射端１０８への入射光１１１は、入射光導波路１０６
を通過して３ｄＢ分岐部光導波路１０４に導かれ、位相
変調部光導波路１０２と１０３とに分岐する。ここで、
この光導波路１０２と１０３とは、光導波路の幅及び長
さが全く等しい光導波路である。このような光変調器に
駆動電圧が供給されると、この光変調器では、電極１１
４間に電界が加わる。ＬｉＮｂＯ3基板１０１は電気光
学効果を有するので、この電界により屈折率変化を生じ
る。その結果、二本の光導波路１０２，１０３を伝搬す
る光の位相にずれが生じる。このずれがπ（ラジアン）
になった場合、マッハツェンダ形光導波路の合波部１０
５で高次モードを励振し、出射光はＯＦＦ状態となる。
入射端１０８への入射光１１１は、入射光導波路１０６
を通過して３ｄＢ分岐部光導波路１０４に導かれ、位相
変調部光導波路１０２と１０３とに分岐する。ここで、
この光導波路１０２と１０３とは、光導波路の幅及び長
さが全く等しい光導波路である。このような光変調器に
駆動電圧が供給されると、この光変調器では、電極１１
４間に電界が加わる。ＬｉＮｂＯ3基板１０１は電気光
学効果を有するので、この電界により屈折率変化を生じ
る。その結果、二本の光導波路１０２，１０３を伝搬す
る光の位相にずれが生じる。このずれがπ（ラジアン）
になった場合、マッハツェンダ形光導波路の合波部１０
５で高次モードを励振し、出射光はＯＦＦ状態となる。
【０００９】従って、出射光１１２は、印加電圧に対し
て正弦波状に変化し、図１３の実線で示すような光出力
特性を示す。なお、図１３において、光出力をｏｎ／ｏ
ｆｆさせるのに必要な電圧を半波長電圧Ｖπとしてい
る。
て正弦波状に変化し、図１３の実線で示すような光出力
特性を示す。なお、図１３において、光出力をｏｎ／ｏ
ｆｆさせるのに必要な電圧を半波長電圧Ｖπとしてい
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】前述のような従来の光
変調器構造において、半波長電圧Ｖπを小さくするた
め、電気光学定数が最大となるようにデバイスを構成し
ている。即ち、光導波路を伝搬する光の偏光をｚ軸方向
とし、印加する電界の方向もｚ軸方向としているため、
図１０に示したように電極１１４が光導波路１０２，１
０３の直上に配置される。そのため、電極１１４による
光吸収を防止すべく、電極１１４と光導波路１０２，１
０３との間にＳｉＯ2膜を形成してバッファ層１１３と
している。このＳｉＯ2バッファ層１１３の厚さは、通
常０.４μｍ程度必要である。
変調器構造において、半波長電圧Ｖπを小さくするた
め、電気光学定数が最大となるようにデバイスを構成し
ている。即ち、光導波路を伝搬する光の偏光をｚ軸方向
とし、印加する電界の方向もｚ軸方向としているため、
図１０に示したように電極１１４が光導波路１０２，１
０３の直上に配置される。そのため、電極１１４による
光吸収を防止すべく、電極１１４と光導波路１０２，１
０３との間にＳｉＯ2膜を形成してバッファ層１１３と
している。このＳｉＯ2バッファ層１１３の厚さは、通
常０.４μｍ程度必要である。
【００１１】このようにバッファ層１１３がある状態
で、電極１１４にバイアス電圧１２３を印加すると、電
気力線１２４は、図１０中で示すような形態となり、光
導波路に実効的に印加される電界は、バッファ層１１３
がない状態より小さくなる。これは、基板１０１や光導
波路１０２，１０３、及びバッファ層１１３をコンデン
サ及び抵抗体に置き換えた図８で示す等価回路で説明す
ることができる。図１１において、Ｒ１及びＣ１は、そ
れぞれ、ＬｉＮｂＯ3基板と光導波路部を合わせた実効
的な抵抗及び静電容量である。Ｒ２及びＣ２は、それぞ
れ、バッファ層１１３の実効的な抵抗及び静電容量であ
る。
で、電極１１４にバイアス電圧１２３を印加すると、電
気力線１２４は、図１０中で示すような形態となり、光
導波路に実効的に印加される電界は、バッファ層１１３
がない状態より小さくなる。これは、基板１０１や光導
波路１０２，１０３、及びバッファ層１１３をコンデン
サ及び抵抗体に置き換えた図８で示す等価回路で説明す
ることができる。図１１において、Ｒ１及びＣ１は、そ
れぞれ、ＬｉＮｂＯ3基板と光導波路部を合わせた実効
的な抵抗及び静電容量である。Ｒ２及びＣ２は、それぞ
れ、バッファ層１１３の実効的な抵抗及び静電容量であ
る。
【００１２】このような従来の光変調器において、図１
２に示すように、バイアス電圧Ｖｅを一定電圧で印加し
た状態で長時間動作させると、光導波路に印加される実
効的な電圧Ｖｗの大きさは、初期（ｔ＝０）において
は、静電容量Ｃ１及びＣ２の大きさで決まる値、すなわ
ち、Ｖｅ印加直後の光導波路に印加される実効的な電圧
Ｖｗ１（＝Ｃ２／（Ｃ２＋Ｃ１））になる。また、充分
に長い時間経過した後（ｔ＝∞）には、Ｖｗの大きさは
抵抗Ｒ１及びＲ２の大きさで決まる値、すなわち、Ｖｅ
印加後充分時間を経たときの光導波路に誘起される実効
的な電圧Ｖｗ２（＝Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２））に収束す
る。このように、動作点が経時的に変動し、光出力特性
がシフトする、いわゆるＤＣドリフト現象が生じる。こ
の状態は、図１３の点線で示すような特性となる。
２に示すように、バイアス電圧Ｖｅを一定電圧で印加し
た状態で長時間動作させると、光導波路に印加される実
効的な電圧Ｖｗの大きさは、初期（ｔ＝０）において
は、静電容量Ｃ１及びＣ２の大きさで決まる値、すなわ
ち、Ｖｅ印加直後の光導波路に印加される実効的な電圧
Ｖｗ１（＝Ｃ２／（Ｃ２＋Ｃ１））になる。また、充分
に長い時間経過した後（ｔ＝∞）には、Ｖｗの大きさは
抵抗Ｒ１及びＲ２の大きさで決まる値、すなわち、Ｖｅ
印加後充分時間を経たときの光導波路に誘起される実効
的な電圧Ｖｗ２（＝Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２））に収束す
る。このように、動作点が経時的に変動し、光出力特性
がシフトする、いわゆるＤＣドリフト現象が生じる。こ
の状態は、図１３の点線で示すような特性となる。
【００１３】このため、バイアス電圧Ｖｅをその動作点
変動に応じて変動させる動作点ロッキング制御法を行な
う必要がある。この場合、Ｃ１Ｒ１＞Ｃ２Ｒ２の場合で
は、Ｖｗ１＜Ｖｗ２となるために、バイアス電圧Ｖｅは
減少し最終的に飽和し安定する。一方、Ｃ１Ｒ１＜Ｃ２
Ｒ２の場合では、Ｖｗ１＞Ｖｗ２となるために、バイア
ス電圧ＶｅはＶｗ１／Ｖｗ２（＞１）倍にする必要が生
じる。この時、Ｖｗ１＞＞Ｖｗ２となり、動作点ロッキ
ング制御の制御範囲を越えてしまい制御不可能な状態と
なる。
変動に応じて変動させる動作点ロッキング制御法を行な
う必要がある。この場合、Ｃ１Ｒ１＞Ｃ２Ｒ２の場合で
は、Ｖｗ１＜Ｖｗ２となるために、バイアス電圧Ｖｅは
減少し最終的に飽和し安定する。一方、Ｃ１Ｒ１＜Ｃ２
Ｒ２の場合では、Ｖｗ１＞Ｖｗ２となるために、バイア
ス電圧ＶｅはＶｗ１／Ｖｗ２（＞１）倍にする必要が生
じる。この時、Ｖｗ１＞＞Ｖｗ２となり、動作点ロッキ
ング制御の制御範囲を越えてしまい制御不可能な状態と
なる。
【００１４】Ｒ１，Ｃ１，Ｒ２，Ｃ２の値は、電極の形
状と、ＬｉＮｂＯ3基板１０１あるいはバッファ層１１
３の抵抗率や誘電率によって決まる。ここで、ＬｉＮｂ
Ｏ3のバルク結晶の抵抗率及び誘電率は室温において、
ρ〜１０17Ωcm、及びε〜３５である。ＳｉＯ2薄膜の
抵抗率及び誘電率は、製作法や製作条件等により異な
り、大体ρ〜１０15Ωcm、及びε〜４程度の値である。
よって、Ｒ１〜１０17Ω，Ｒ２〜１０15Ω，Ｃ１〜Ｃ２
〜数ｐＦとなり、Ｃ１Ｒ１＜Ｃ２Ｒ２の場合となり、安
定した動作となる。
状と、ＬｉＮｂＯ3基板１０１あるいはバッファ層１１
３の抵抗率や誘電率によって決まる。ここで、ＬｉＮｂ
Ｏ3のバルク結晶の抵抗率及び誘電率は室温において、
ρ〜１０17Ωcm、及びε〜３５である。ＳｉＯ2薄膜の
抵抗率及び誘電率は、製作法や製作条件等により異な
り、大体ρ〜１０15Ωcm、及びε〜４程度の値である。
よって、Ｒ１〜１０17Ω，Ｒ２〜１０15Ω，Ｃ１〜Ｃ２
〜数ｐＦとなり、Ｃ１Ｒ１＜Ｃ２Ｒ２の場合となり、安
定した動作となる。
【００１５】しかしながら、デバイスを製作する過程に
おいて加わる加工歪、あるいは基板結晶内歪等の影響に
より、ＬｉＮｂＯ3基板に応力が発生する。例えば、プ
ラズマ化学気相堆積法（ＰＣＶＤ法）等でＳｉＯ2バッ
ファ層１１３を形成する際に、通常、薄膜内に１０8Ｐ
ａ（パスカル）程度の内部応力が発生する。この内部応
力によってＬｉＮｂＯ3基板１０１が応力を受けるた
め、ＬｉＮｂＯ3基板１０１が反ってしまう。
おいて加わる加工歪、あるいは基板結晶内歪等の影響に
より、ＬｉＮｂＯ3基板に応力が発生する。例えば、プ
ラズマ化学気相堆積法（ＰＣＶＤ法）等でＳｉＯ2バッ
ファ層１１３を形成する際に、通常、薄膜内に１０8Ｐ
ａ（パスカル）程度の内部応力が発生する。この内部応
力によってＬｉＮｂＯ3基板１０１が応力を受けるた
め、ＬｉＮｂＯ3基板１０１が反ってしまう。
【００１６】ＬｉＮｂＯ3基板中の応力σLNは、ＳｉＯ2
バッファ層中の応力をσbとすると、次式で与えられ
る。
バッファ層中の応力をσbとすると、次式で与えられ
る。
【００１７】
【数１】 σLN＝ａ・σb・（ｄb／ｄLN） ここで、ａ：比例定数，ｄLN：ＬｉＮｂＯ3基板の厚
み、ｄb：ＳｉＯ2バッファ層の厚みである。内部応力の
様子は、図１０中に矢印で示している。
み、ｄb：ＳｉＯ2バッファ層の厚みである。内部応力の
様子は、図１０中に矢印で示している。
【００１８】この内部応力は、ＬｉＮｂＯ3結晶のエネ
ルギーバンド構造を変化させ、抵抗率ρLNを変える。抵
抗率の変化△ρLN（＝ρLN−ρLN0）は、次式で与えら
れる。
ルギーバンド構造を変化させ、抵抗率ρLNを変える。抵
抗率の変化△ρLN（＝ρLN−ρLN0）は、次式で与えら
れる。
【００１９】
【数２】 △ρLN／ρLN0≒Π・σLN ここで、ρLN0：応力のないときのＬｉＮｂＯ3の抵抗
率、Π：ピエゾ抵抗係数である。
率、Π：ピエゾ抵抗係数である。
【００２０】一方、ＳｉＯ2バッファ層は非晶質である
ため、応力による抵抗率変化は、結晶と比較して非常に
小さい。従って、内部応力によってＳｉＯ2バッファ層
の抵抗率と比較して、ＬｉＮｂＯ3基板の抵抗率が大き
く減少することになる。
ため、応力による抵抗率変化は、結晶と比較して非常に
小さい。従って、内部応力によってＳｉＯ2バッファ層
の抵抗率と比較して、ＬｉＮｂＯ3基板の抵抗率が大き
く減少することになる。
【００２１】以上述べたように、バッファ層１１３が形
成されていると、ＬｉＮｂＯ3基板１０１に内部応力１
２１が存在し、ＬｉＮｂＯ3の光導波路１０２，１０３
近傍の抵抗率が減少する。例えばＲ１が〜１０13Ωとな
り、バッファ層の抵抗率より小さくなる。すなわち、Ｃ
１Ｒ１＜Ｃ２Ｒ２で、Ｖｗ１＞＞Ｖｗ２の状態になり、
ＤＣドリフトを動作点ロッキング制御法を用いても制御
不可能となってしまうという問題があった。
成されていると、ＬｉＮｂＯ3基板１０１に内部応力１
２１が存在し、ＬｉＮｂＯ3の光導波路１０２，１０３
近傍の抵抗率が減少する。例えばＲ１が〜１０13Ωとな
り、バッファ層の抵抗率より小さくなる。すなわち、Ｃ
１Ｒ１＜Ｃ２Ｒ２で、Ｖｗ１＞＞Ｖｗ２の状態になり、
ＤＣドリフトを動作点ロッキング制御法を用いても制御
不可能となってしまうという問題があった。
【００２２】また、ＬｉＮｂＯ3基板１０１の熱膨張係
数は、ＳｉＯ2膜の熱膨張係数と大きく異なり、使用環
境温度等の変化によっても、内部応力１２１が随時変化
することになる。また、電極１１４、あるいはパッケー
ジ用ケース材料等と基板１０１においても同様な熱膨張
係数に差があるため、上述と同様の問題があった。
数は、ＳｉＯ2膜の熱膨張係数と大きく異なり、使用環
境温度等の変化によっても、内部応力１２１が随時変化
することになる。また、電極１１４、あるいはパッケー
ジ用ケース材料等と基板１０１においても同様な熱膨張
係数に差があるため、上述と同様の問題があった。
【００２３】さらに、ＬｉＮｂＯ3基板１０１は、電歪
効果（圧電逆効果）も有するため、外部印加電界の変化
により上述した現象と同様に基板が歪んで、内部応力１
２１が随時変化し、上述と同様の問題があった。
効果（圧電逆効果）も有するため、外部印加電界の変化
により上述した現象と同様に基板が歪んで、内部応力１
２１が随時変化し、上述と同様の問題があった。
【００２４】本発明は、前述の問題点を解決するために
なされたものであり、本発明の目的は、電気光学結晶か
らなるデバイスの作製時の内部応力や、基板とバッファ
層あるいは、電極，パッケージ等との熱膨張差による内
部応力等に起因する光出力特性のシフトを防止し、安定
した光出力を得ることが可能な光制御素子を提供するこ
とにある。
なされたものであり、本発明の目的は、電気光学結晶か
らなるデバイスの作製時の内部応力や、基板とバッファ
層あるいは、電極，パッケージ等との熱膨張差による内
部応力等に起因する光出力特性のシフトを防止し、安定
した光出力を得ることが可能な光制御素子を提供するこ
とにある。
【００２５】本発明の前記ならびにその他の目的及び新
規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明ら
かにする。
規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明ら
かにする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、少なくとも１本の光導波路を表面近傍に
備えた電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成さ
れたバッファ層と、該バッファ層上に配置された電極と
で構成される光制御素子において、前記基板、バッファ
層、電極のうち少なくとも１つの、光導波路の近傍でか
つ光導波路を伝搬する光波の界分布に影響を与えない程
度離れた位置に、所定の幅、長さ及び深さの溝を設けた
ことを最も主要な特徴とする。
に、本発明は、少なくとも１本の光導波路を表面近傍に
備えた電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成さ
れたバッファ層と、該バッファ層上に配置された電極と
で構成される光制御素子において、前記基板、バッファ
層、電極のうち少なくとも１つの、光導波路の近傍でか
つ光導波路を伝搬する光波の界分布に影響を与えない程
度離れた位置に、所定の幅、長さ及び深さの溝を設けた
ことを最も主要な特徴とする。
【００２７】
【作用】前述の手段によれば、基板のバッファ層あるい
は電極には、作製時あるいは使用時に内部応力が生じよ
うとするが、基板，バッファ層あるいは電極の、光導波
路近傍かつ光導波路を伝搬する光波の界分布に影響を与
えない程度離れた位置に所定の幅、長さ及び深さの溝が
形成されていると、各々の溝において応力が開放される
ために、光導波路に加わる内部応力が無くなり、光導波
路の抵抗率減少が生じることがなくなる。また、熱や電
歪効果による応力は、上記溝で開放されるため、同様に
光導波路の抵抗率減少が生じなくなる。これにより、正
常な正弦波状の光出力を安定して出力することができ
る。
は電極には、作製時あるいは使用時に内部応力が生じよ
うとするが、基板，バッファ層あるいは電極の、光導波
路近傍かつ光導波路を伝搬する光波の界分布に影響を与
えない程度離れた位置に所定の幅、長さ及び深さの溝が
形成されていると、各々の溝において応力が開放される
ために、光導波路に加わる内部応力が無くなり、光導波
路の抵抗率減少が生じることがなくなる。また、熱や電
歪効果による応力は、上記溝で開放されるため、同様に
光導波路の抵抗率減少が生じなくなる。これにより、正
常な正弦波状の光出力を安定して出力することができ
る。
【００２８】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳
細に説明する。
細に説明する。
【００２９】なお、実施例を説明する全図において、同
一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの
説明は省略する。
一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの
説明は省略する。
【００３０】（実施例１）図１は、本発明をマッハツェ
ンダ形の光変調器に適用した実施例１の概略構成を示す
平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、従
来と同様あるいは相当する部分には同一符号を付してあ
る。
ンダ形の光変調器に適用した実施例１の概略構成を示す
平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、従
来と同様あるいは相当する部分には同一符号を付してあ
る。
【００３１】図１において、マッハツェンダ形光変調器
は、電気光学効果を有するｚカットＬｉＮｂＯ3の基板
１０１の上に、Ｔｉ熱拡散の後にリッジ加工を施した一
対の光導波路１０２，１０３（幅数〜数十μｍ，長さ数
〜数十ｍｍ，間隔数十μｍ）を平行に近接配置してい
る。この光導波路１０２，１０３近傍に、幅ＷLN，深さ
ＤLN，長さＬLNの応力開放溝１１５を形成している。さ
らに、光導波路１０２，１０３上に一組の進行波電極１
１４を形成し、光導波路１０２，１０３と一組の電極１
１４との間に、電極による光吸収を防止するためのバッ
ファ層（ＳｉＯ2膜）１１３を介在させている。これら
の光導波路１０２，１０３と一組の電極１１４により、
二つの位相変調形の光制御素子が構成される。
は、電気光学効果を有するｚカットＬｉＮｂＯ3の基板
１０１の上に、Ｔｉ熱拡散の後にリッジ加工を施した一
対の光導波路１０２，１０３（幅数〜数十μｍ，長さ数
〜数十ｍｍ，間隔数十μｍ）を平行に近接配置してい
る。この光導波路１０２，１０３近傍に、幅ＷLN，深さ
ＤLN，長さＬLNの応力開放溝１１５を形成している。さ
らに、光導波路１０２，１０３上に一組の進行波電極１
１４を形成し、光導波路１０２，１０３と一組の電極１
１４との間に、電極による光吸収を防止するためのバッ
ファ層（ＳｉＯ2膜）１１３を介在させている。これら
の光導波路１０２，１０３と一組の電極１１４により、
二つの位相変調形の光制御素子が構成される。
【００３２】また、基板１０１の一端部上には、端面に
入射端１０８を持つ入力光導波路１０６が形成され、こ
の入力光導波路１０６と位相変調部光導波路１０２，１
０３とが、３ｄＢのＹ分岐部光導波路１０４により接続
されている。同様に、基板１０１の他端部上にも、入射
端の反対側端面に出射端１０９を持つ出力光導波路１０
７が形成され、この出力光導波路１０７と位相変調部光
導波路１０２，１０３とが、３ｄＢのＹ合波部光導波路
１０５により接続される。なお、分岐・合波部光導波路
１０４，１０５の開き角は数ｍｒａｄであり、各光導波
路のパターン幅は５〜１０μｍである。
入射端１０８を持つ入力光導波路１０６が形成され、こ
の入力光導波路１０６と位相変調部光導波路１０２，１
０３とが、３ｄＢのＹ分岐部光導波路１０４により接続
されている。同様に、基板１０１の他端部上にも、入射
端の反対側端面に出射端１０９を持つ出力光導波路１０
７が形成され、この出力光導波路１０７と位相変調部光
導波路１０２，１０３とが、３ｄＢのＹ合波部光導波路
１０５により接続される。なお、分岐・合波部光導波路
１０４，１０５の開き角は数ｍｒａｄであり、各光導波
路のパターン幅は５〜１０μｍである。
【００３３】以上のような構成において、電極１１４間
に電界が加わると、ＬｉＮｂＯ3基板の電気光学効果に
より、二本の位相変調光導波路１０２，１０３を伝搬す
る光の位相にずれが生じる。このずれがπになると、合
波部光導波路１０５における高次モードの励振により光
はＯＦＦ状態となる。従って、出射光１１２は、印加電
圧に対して正弦波状に変化する。
に電界が加わると、ＬｉＮｂＯ3基板の電気光学効果に
より、二本の位相変調光導波路１０２，１０３を伝搬す
る光の位相にずれが生じる。このずれがπになると、合
波部光導波路１０５における高次モードの励振により光
はＯＦＦ状態となる。従って、出射光１１２は、印加電
圧に対して正弦波状に変化する。
【００３４】図３は、本発明の原理を説明するための図
であり、基板に形成した溝１１５の幅ＷLN，深さＤLN，
及び長さＬLNと、光導波路近傍に誘起される応力σLN１
２１、及び光導波路近傍の抵抗率ρLNとの関係の概略を
示す。なお、実際には応力及び抵抗率は分布を示すが、
詳細には、有限要素法等の応力解析を行なうことによっ
て求めることができる。この図３からわかるように、溝
の幅，深さ，あるいは長さが大きくなる程、誘起される
応力１２１が低下し、抵抗率の減少が抑制されることが
わかる。
であり、基板に形成した溝１１５の幅ＷLN，深さＤLN，
及び長さＬLNと、光導波路近傍に誘起される応力σLN１
２１、及び光導波路近傍の抵抗率ρLNとの関係の概略を
示す。なお、実際には応力及び抵抗率は分布を示すが、
詳細には、有限要素法等の応力解析を行なうことによっ
て求めることができる。この図３からわかるように、溝
の幅，深さ，あるいは長さが大きくなる程、誘起される
応力１２１が低下し、抵抗率の減少が抑制されることが
わかる。
【００３５】実際には、溝１１５の幅ＷLNとしては光導
波路幅と同程度から数倍の大きさ、また、溝１１５の深
さＤLNとしては光導波路深さの大きさと同程度から数倍
の大きさ、さらに、溝１１５の長さＬLNは、位相変調部
の長さと同程度であれば、ＬｉＮｂＯ3の抵抗率の減少
はかなり抑えられる。なお、図１の構成において、光導
波路に沿った方向に複数の溝を並べて形成してもよい。
波路幅と同程度から数倍の大きさ、また、溝１１５の深
さＤLNとしては光導波路深さの大きさと同程度から数倍
の大きさ、さらに、溝１１５の長さＬLNは、位相変調部
の長さと同程度であれば、ＬｉＮｂＯ3の抵抗率の減少
はかなり抑えられる。なお、図１の構成において、光導
波路に沿った方向に複数の溝を並べて形成してもよい。
【００３６】（実施例２）図４は、本発明の実施例２の
概略構成を示す断面図であり、基板１０１に形成した溝
１１５の方向とバッファ層１１３に形成した溝１１６の
方向を同一方向したものである。ここでは、バッファ層
１１３に基板１０１に形成した溝１１５とほぼ同じ位置
に溝１１６を形成した場合である。ここで、バッファ層
１１３の溝１１６部分は、光導波路を伝搬する光波の界
分布に影響を与えなければ、完全に除去してもよい。
概略構成を示す断面図であり、基板１０１に形成した溝
１１５の方向とバッファ層１１３に形成した溝１１６の
方向を同一方向したものである。ここでは、バッファ層
１１３に基板１０１に形成した溝１１５とほぼ同じ位置
に溝１１６を形成した場合である。ここで、バッファ層
１１３の溝１１６部分は、光導波路を伝搬する光波の界
分布に影響を与えなければ、完全に除去してもよい。
【００３７】（実施例３）図５は、本発明の実施例３の
概略構成を示す平面図、図６は図５のＢ−Ｂ線断面図で
あり、基板１０１に形成した溝１１５と交差させるよう
にバッファ層１１３に溝１１７を形成したものである。
概略構成を示す平面図、図６は図５のＢ−Ｂ線断面図で
あり、基板１０１に形成した溝１１５と交差させるよう
にバッファ層１１３に溝１１７を形成したものである。
【００３８】これにより、後述する図１０に示す応力の
方向と直交する方向、すなわち、光導波路の伝搬方向に
対する応力も緩和することができる。溝の深さは、光導
波路を伝搬する光波の界分布に影響を与えない程度に深
くしてもよい。また、溝１１５と溝１１６は直交してい
なくてもよい。
方向と直交する方向、すなわち、光導波路の伝搬方向に
対する応力も緩和することができる。溝の深さは、光導
波路を伝搬する光波の界分布に影響を与えない程度に深
くしてもよい。また、溝１１５と溝１１６は直交してい
なくてもよい。
【００３９】（実施例４）図７は、本発明の実施例４の
概略構成を示す断面図、図８は、図７のＡ−Ａ線断面図
であり、基板１０１に形成した溝１１５の方向と電極１
１４に形成した溝１１８の方向を同一方向としたもので
ある。この構成により、電極１１４によって誘起される
応力を低減することができる。ここで、バッファ層１１
３の厚さは一様としているが、図４あるいは図５のよう
な溝をバッファ層に形成してもよい。
概略構成を示す断面図、図８は、図７のＡ−Ａ線断面図
であり、基板１０１に形成した溝１１５の方向と電極１
１４に形成した溝１１８の方向を同一方向としたもので
ある。この構成により、電極１１４によって誘起される
応力を低減することができる。ここで、バッファ層１１
３の厚さは一様としているが、図４あるいは図５のよう
な溝をバッファ層に形成してもよい。
【００４０】前述した基板１０１、バッファ層１１３、
及び電極１１４の溝１１５，１１６，１１７，１１８
は、光導波路１０２，１０３に必ずしも沿う必要はな
く、斜めに形成しても、また、複数の溝を並べて形成し
ても同様の効果がある。
及び電極１１４の溝１１５，１１６，１１７，１１８
は、光導波路１０２，１０３に必ずしも沿う必要はな
く、斜めに形成しても、また、複数の溝を並べて形成し
ても同様の効果がある。
【００４１】また、溝の上に形成する層を平坦化する場
合、例えば溝１１７を有するバッファ層１１３上の電極
１１４を平坦化しようとする場合、溝１１７に応力を開
放しやすい材料、例えば軟質樹脂等を充填する、あるい
は、溝１１７を空隙としても、応力がほとんど生じるこ
とはないので、上記と同様の効果がある。
合、例えば溝１１７を有するバッファ層１１３上の電極
１１４を平坦化しようとする場合、溝１１７に応力を開
放しやすい材料、例えば軟質樹脂等を充填する、あるい
は、溝１１７を空隙としても、応力がほとんど生じるこ
とはないので、上記と同様の効果がある。
【００４２】前記実施例１，２では、基板に溝を形成し
た例を中心に示したが、基板，バッファ層，電極のいず
れか一つに溝を形成する、あるいはそれらを組み合わせ
ても同様の効果がある。
た例を中心に示したが、基板，バッファ層，電極のいず
れか一つに溝を形成する、あるいはそれらを組み合わせ
ても同様の効果がある。
【００４３】また、光導波路として、リッジ形の光導波
路を用いた例を示したが、図１０の従来例で示した光導
波路と同じ拡散形光導波路、あるいは埋め込み形光導波
路等の光導波路を用いなくても同様の効果がある。
路を用いた例を示したが、図１０の従来例で示した光導
波路と同じ拡散形光導波路、あるいは埋め込み形光導波
路等の光導波路を用いなくても同様の効果がある。
【００４４】さらに、バッファ層を形成した例を示した
が、バッファ層がなく基板上に直接電極を形成した場
合、例えば、ｘカットＬｉＮｂＯ３基板を用いた光変調
器等に対しても、基板あるいは電極に溝を形成して同様
の効果を得ることができる。
が、バッファ層がなく基板上に直接電極を形成した場
合、例えば、ｘカットＬｉＮｂＯ３基板を用いた光変調
器等に対しても、基板あるいは電極に溝を形成して同様
の効果を得ることができる。
【００４５】なお、本発明は、前述の実施例に限定され
るものではなく、光の位相を制御することを利用する種
々の光制御素子、例えば方向性結合器の光スイッチやバ
ランスブリッジ形の光強度変調器等に対しても適用でき
る。
るものではなく、光の位相を制御することを利用する種
々の光制御素子、例えば方向性結合器の光スイッチやバ
ランスブリッジ形の光強度変調器等に対しても適用でき
る。
【００４６】本発明に用いる基板及びバッファ層の材料
・光導波路の形状・電極の形状等も前述の実施例に限定
されない。例えば、基板材料としては、ＬｉＴａＯ3，
ＢａＴａＯ3等の強誘電体，ＧａＡｓ，ＩｎＰ等の半導
体あるいは有機材料等を用いることができる。
・光導波路の形状・電極の形状等も前述の実施例に限定
されない。例えば、基板材料としては、ＬｉＴａＯ3，
ＢａＴａＯ3等の強誘電体，ＧａＡｓ，ＩｎＰ等の半導
体あるいは有機材料等を用いることができる。
【００４７】また、バッファ層材料としては、Ａｌ
2Ｏ3，有機材料等を用いることができる。電極形状とし
ては、高速化に適した進行波形の電極、集積化あるいは
低駆動電圧化に適した電極等を用いることができる。
2Ｏ3，有機材料等を用いることができる。電極形状とし
ては、高速化に適した進行波形の電極、集積化あるいは
低駆動電圧化に適した電極等を用いることができる。
【００４８】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明の光制御
素子によれば、電気光学効果を有する基板上にバッファ
層と電極を備えた光変調器や光スイッチ等において、少
なくとも基板、もしくはバッファ層、もしくは電極の光
導波路近傍かつ光導波路を伝搬する光波の界分布に影響
を与えない程度離れた位置に、所定の幅、長さ及び深さ
有する溝を設けることにより、デバイスの作製時あるい
は使用時に発生した内部応力が、基板，バッファ層，あ
るいは電極の溝で開放されるために、光導波路に加わる
内部応力が無くなり、光導波路の抵抗率減少が生じるこ
とがなく、正常な正弦波状の光出力を安定して出力する
ことができる。
素子によれば、電気光学効果を有する基板上にバッファ
層と電極を備えた光変調器や光スイッチ等において、少
なくとも基板、もしくはバッファ層、もしくは電極の光
導波路近傍かつ光導波路を伝搬する光波の界分布に影響
を与えない程度離れた位置に、所定の幅、長さ及び深さ
有する溝を設けることにより、デバイスの作製時あるい
は使用時に発生した内部応力が、基板，バッファ層，あ
るいは電極の溝で開放されるために、光導波路に加わる
内部応力が無くなり、光導波路の抵抗率減少が生じるこ
とがなく、正常な正弦波状の光出力を安定して出力する
ことができる。
【図１】 本発明をマッハツェンダ形の光変調器に適用
した実施例１の概略構成を示す平面図、
した実施例１の概略構成を示す平面図、
【図２】 図１のＡ−Ａ線断面図、
【図３】 実施例１の基板の光導波路近傍に形成した溝
の深さ，幅，長さに対する光導波路近傍の応力及び抵抗
率の関係を示す図、
の深さ，幅，長さに対する光導波路近傍の応力及び抵抗
率の関係を示す図、
【図４】 本発明の実施例２の概略構成を示す断面図、
【図５】 本発明の実施例３の概略構成を示す平面図、
【図６】 図５のＢ−Ｂ線断面図、
【図７】 本発明の実施例４の概略構成を示す断面図、
【図８】 図７のＡ−Ａ線断面図、
【図９】 従来のマッハツェンダ光強度変調器の制御の
一例を示す概略平面図、
一例を示す概略平面図、
【図１０】 図９のＡ−Ａ線断面図、
【図１１】 図９に示す従来のマッハツェンダ光強度変
調器の基板及び光導波路，バッファ層を電気的な等価回
路で示した図、
調器の基板及び光導波路，バッファ層を電気的な等価回
路で示した図、
【図１２】 図１１の抵抗及び静電容量により、光導波
路に実効的に印加される電圧の時間変化を示す図、
路に実効的に印加される電圧の時間変化を示す図、
【図１３】 入力信号と出力波形の関係を説明するため
の説明図。
の説明図。
１０１…基板、１０２，１０３…位相変調部光導波路、
１０４…分岐部光導波路、１０５…合波部光導波路、１
０６…入力光導波路、１０７…出力光導波路、１０８…
入射端、１０９…出射端、１１１…入射光、１１２…出
射光、１１３…バッファ層、１１４…進行波電極、１１
５…光導波路近傍の基板に形成した溝、１１６…光導波
路近傍のバッファ層に形成した溝、１１７…基板の溝の
方向と交差するように光導波路近傍のバッファ層に形成
した溝、１１８…光導波路近傍の電極に形成した溝、１
２１…基板の光導波路近傍に発生した応力σLN、１２２
…バッファ層の光導波路近傍に発生した応力σb、１２
３…バイアス電圧、１２４…電気力線。
１０４…分岐部光導波路、１０５…合波部光導波路、１
０６…入力光導波路、１０７…出力光導波路、１０８…
入射端、１０９…出射端、１１１…入射光、１１２…出
射光、１１３…バッファ層、１１４…進行波電極、１１
５…光導波路近傍の基板に形成した溝、１１６…光導波
路近傍のバッファ層に形成した溝、１１７…基板の溝の
方向と交差するように光導波路近傍のバッファ層に形成
した溝、１１８…光導波路近傍の電極に形成した溝、１
２１…基板の光導波路近傍に発生した応力σLN、１２２
…バッファ層の光導波路近傍に発生した応力σb、１２
３…バイアス電圧、１２４…電気力線。
Claims (1)
- 【請求項１】 少なくとも１本の光導波路を表面近傍に
備えた電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成さ
れたバッファ層と、該バッファ層上に配置された電極と
で構成される光制御素子において、前記基板、バッファ
層、電極のうち少なくとも１つの光導波路の近傍でかつ
光導波路を伝搬する光波の界分布に影響を与えない程度
離れた位置に、所定の幅、長さ及び深さを有する溝を設
けたことを特徴とする光制御素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21679292A JPH0667130A (ja) | 1992-08-14 | 1992-08-14 | 光制御素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21679292A JPH0667130A (ja) | 1992-08-14 | 1992-08-14 | 光制御素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0667130A true JPH0667130A (ja) | 1994-03-11 |
Family
ID=16693952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21679292A Pending JPH0667130A (ja) | 1992-08-14 | 1992-08-14 | 光制御素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0667130A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6219469B1 (en) * | 1996-09-06 | 2001-04-17 | Ngk Insulators, Ltd. | Optical waveguide devices, traveling-wave light modulators, and process for producing optical waveguide devices |
| WO2004025358A1 (ja) * | 2002-09-12 | 2004-03-25 | Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd | 光変調器 |
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| WO2021131272A1 (ja) * | 2019-12-26 | 2021-07-01 | 住友大阪セメント株式会社 | 光導波路素子および光変調器 |
-
1992
- 1992-08-14 JP JP21679292A patent/JPH0667130A/ja active Pending
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