JPWO2009078248A1 - 導波路型光デバイス - Google Patents

Abstract

寄生容量を低減して信号伝送の高速化を可能にする導波路型光デバイスを提供する。基板２の上に下部電極４１が形成され、下部電極４１の上に下部クラッド５１が形成され、下部クラッド５１の上に下部コア６２が形成され、下部コア６２の上に上部コア６１が形成され、上部コア６１の上に上部クラッド５３が形成され、上部クラッド５３の上に上部電極４２が形成されている。上部コア６１と下部コア６２は両側を側部クラッド層５２で覆われている。上部電極４２と下部電極４１の上下重なり部分は上部コア６１と下部コア６２からなるコア層の領域とほぼ等しい場所にある。上部コア６１と下部コア６２は一方の幅がシングルモード条件を満たす幅であり、他方の幅がフィールド分布の幅程度以上である。

Description

本発明は、光インターコネクションや光通信に用いられる導波路型光デバイスに関し、特に電気光学効果を用いる導波路型光デバイスに関する。

都市間ネットワークや大陸間もしくは大陸内におけるバックボーン（基幹系）での大容量伝送などに代表される光通信、ならびにサーバ・ルータに適用される光インターコネクションなどで、光変調器や光スイッチなどが使用されている。これらには、データ形成や信号処理をする上で高速で小型のものが求められている。こうした要求に応える１つとして、近年、電気光学効果を用いた導波路型光デバイスが開発されている。例えば特開２００７−２１２７８７号公報参照。

本願に関連する導波路型光デバイスとして、サファイア基板にパターン形成された酸化インジウム錫（ＩＴＯ）上に、ランタンをドープされたジルコン酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）が積層されてなる逆リッジ形導波路により構成された、マッハツェンダー型の光変調器が下記の文献１に開示されている。

文献１：「ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー」、２０００年６月、第１８巻、第６号、８０７〜８１２頁（“JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY”, VOL.18, NO.6, JUNE 2000, p.807-812）、特に図１、図３、図８参照。

この光変調器での光はＩＴＯがオフされたＰＬＺＴの部分を導波し、Ｙ分岐導波路を介して分岐され、並列する２つの導波路を伝搬したのち他方のＹ分岐導波路で合波され、１本の導波路を伝搬していく。このような変調器では並列する２つの導波路の間の内側エリアとこれを挟む２つの外側エリアにそれぞれ電極が形成されている。そして、内側エリアの電極に０Ｖの電圧を、一方の外側エリアの電極に（Ｖｂ＋Ｖｍ）の電圧を、もう一方の外側エリアの電極に（Ｖｂ−Ｖｍ）の電圧を印加することで、変調器の動作を実現させている。

しかし、文献１に示されたリッジ形導波路では、コア層が高誘電率であるＰＬＺＴからなり、光を伝搬するコア層の下部コアに対して、コア層の上部コアはデバイス全面にわたって形成されている。このコア構造では、上部コア全域を挟むように上下一対の電極を形成した場合に寄生容量が大きくなる。これに対して、寄生容量を大きくしないためには導波路の左右両側から挟むように導波路上部に電極を配置して電圧を印加する構造にしていたため、効率的な電界を導波路及びその近傍に印加することが難しかった。

このように、文献１に記載のリッジ形導波路を用いた導波路型光デバイスでは、誘電率の高いコア材料がデバイス全面にわたって形成されていたので、コアを挟むように上下に電極を形成した場合、寄生容量を下げられなかった。したがって、信号伝送の高速化が難しいという課題があった。

さらに、上述したように導波路の上部でコア層から離れたところに電極を形成していたため、導波路部に効率的な電界印加を行えず、その結果低電圧化または低電力化が難しいという課題があった。

本発明の目的は、上記のような課題の少なくとも一つを解決できる導波路型光デバイスを提供することにある。その目的の一例は、寄生容量を低減して信号伝送の高速化を可能にする導波路型光デバイスを提供することにある。また、本願目的の他の例は、効率的な電界印加を行えて低電圧化または低電力化が容易になる導波路型光デバイスを提供することにある。

本発明の一態様は、基板の上に、第一電極、第一クラッド、第一コア部、第二コア部、第二クラッド、および第二電極がこの順番に形成された構造を含む導波路型光デバイスである。第一コア部と第二コア部とからなるコア層の側面が側部クラッド層で覆われている。特に、第一コア部と第二コア部は一方の幅がシングルモード条件を満たす幅であり、他方の幅がフィールド分布の幅程度以上である。さらに、第一電極と第二電極の上下重なり部分はコア層の領域を挟むように配置されている。

こうした態様は、寄生容量が低減して信号伝送の高速化を容易にすることが出来る。また、効率的な電界印加を可能にして低電力化を容易にすることも出来る。

本発明の第１の実施形態例による導波路型光デバイスの模式図。 本発明の第１の実施形態例の導波路型光デバイスのコア付近における伝搬光のモード分布を示す図で、（ａ）は導波路型光デバイスの導波路を光が伝搬するときの光フィールドパターンを示した図、（ｂ）は導波路型光デバイスの光軸方向に向かって導波路を光が伝搬したときの光強度分布を示す図。 本発明の第１の実施形態例の導波路型光デバイスにおける誘電ロスの高周波特性を示す図。 本発明の第２の実施形態例の導波路型光デバイスを示す構造図で、（ａ）は導波路型光デバイスの上面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線で切断したときの断面図。 本発明の第２の実施形態例の導波路型光デバイスにおける動作を説明する図。 本発明の第３の実施形態例の導波路型光デバイスを示す構造図で、（ａ）は導波路型光デバイスの上面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線で切断したときの断面図。

（第１の実施形態例）
図１は本発明の第１の実施形態例による導波路型光デバイスの構造について光導波路を切断する面で示した断面図である。この図に示される形態の導波路型光デバイス１は、基板２の上に、絶縁層３、第一電極である下部電極４１、第一クラッドである下部クラッド５１、第一コア部である下部コア６２、第二コア部である上部コア６１、第二クラッドである上部クラッド５３、および、第二電極である上部電極４２がこの順番に積層された構造を有する。さらに、下部クラッド５１、下部コア６２、上部コア６１、上部クラッド５３の夫々の両側面は側部クラッド層５２で覆われている。

基板２には電気導通型のＳｉ基板を使用する場合が多いが、その場合は絶縁層３で基板２と下部電極４１の間を電気的に絶縁する。しかし、基板２として高抵抗を持つＳｉ基板を用いてもよい。その際は絶縁層３を用いなくてもよい。

下部コア６２と上部コア６１はそれぞれニオブ酸リチウムや、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタンが添加されたチタン酸鉛などの電気光学結晶材料からなる。背景技術では上部コアがデバイス全面にわたって形成されていたが、本発明に係る上部コア６１は、側部クラッド層５２により分割された逆リッジ構造をなす各光導波路のコア層の一部として機能する。

コア層の寸法については、下記の文献２にて述べられているようにリッジ形導波路のシングルモード条件として、下部コアの幅とコア層の高さ（下部コアと上部コアの合計高さ）との比をｔとし、上部コアの高さとコア層の高さとの比をｒとすると、ｔ＜ｒ／（１−ｒ^２）^０．５の関係がある。

文献２：「ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー」、１９９８年１０月、第１６巻、第１０号、１８５１〜１８５３頁（“JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY”, VOL.16, NO.10, OCTOBER 1998, p.807-812）
上記の関係を満たすデバイスを設計するとき、光のフィールド分布をＢＰＭ（ビーム伝搬法：Beam Propagation Method）等により求めて、上部コア６１の幅はフィールド分布の幅程度からその２倍程度までにすればよい。また、下部コア６２の幅は上記シングルモード条件を満たす幅であればよい。

上部クラッド５３と下部クラッド５１の幅は、上部コア６１と下部コア６２の幅とそれぞれ等しく、上部クラッド５３と下部クラッド５１の屈折率ｎ_１は、上部コア６１と下部コア６２の屈折率ｎ_２よりも小さいものとする（ｎ_１＜ｎ_２）。このとき、上部クラッド５３と下部クラッド５１の誘電率ε_１は上部コア６１と下部コア６２の誘電率ε_２に近い数値であることが望ましい。

側部クラッド層５２の屈折率ｎ_３は、上部クラッド５３と下部クラッド５１の屈折率ｎ_１、および上部コア６１と下部コア６２の屈折率ｎ_２よりも小さいことが望ましい（ｎ_３＜ｎ_１、ｎ_３＜ｎ_２）。このとき、側部クラッド層５２の誘電率ε_３はクラッド５１，５３の誘電率ε_１、およびコア６１，６２の誘電率ε_２より小さいことが望ましい（ε_３<<ε_１、ε_３<<ε_２）。この側部クラッド層５２の材料としては酸化膜、ポリマ樹脂などが適用できる。

下部電極４１は下部クラッド５１及び側部クラッド層５２の下部に配置され、上部電極４２は上部クラッド５３及び側部クラッド層５２の上部に配置されている。下部電極４１と上部電極４２を導波路型光デバイス１の上方（即ち基板２の主面に垂直な方向）からみたとき、両電極４１，４２の互いに重なり合う部分は下部コア６２と上部コア６１の重なり合う部分とほぼ等しい場所にある。これにより、側部クラッド層５２での寄生容量を小さく抑えることができ、光導波路を構成するコア６１，６２及びこの近傍のクラッド５１，５３に上下から効率的な電界を印加することが可能である。

次に本実施形態例の導波路型光デバイスの動作について図２及び図３を用いて説明する。

図２（ａ）は図１の導波路型光デバイス１の導波路を光が伝搬するときの光フィールドパターンを示したものである。図２（ｂ）は導波路型光デバイス１の光軸方向に向かって導波路を光が伝搬したときの光強度分布を示したものである。計算にはビーム伝搬法を用いた。図３は図１の構造の電気配線においてＳパラメータの周波数特性のグラフである。

導波路型光デバイス１に外部から光を入力すると、光は導波路内を図２のように伝搬する。このときの光フィールドはコア層とその周辺を伝搬する。次に光を伝搬させた状態で、上部電極４２と下部電極４１の間に電圧を印加すると実効的な屈折率が変化し、光学長が変化する。高速に変調された電圧を重畳するとそれに応じて実効屈折率も変化する。そこで、本実施形態例の構成にすれば、上部電極４２と下部電極４１間の電気的な誘電ロスを、図３に示されるように背景技術と比較して、より高周波領域において抑えることが可能である。

（第２の実施形態例）
図４は、本発明の第２の実施形態例による導波路型光デバイスの構造図である。図４（ａ）はリング共振器型変調器としての導波路型光デバイス１Ａの上面図を、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’断面を矢印の方向から見たときの断面図を示している。この導波路型光デバイス１Ａはレーストラック状のリング共振器に入力ポート７１と出力ポート７２を結合した構造であり、これらの結合部にはマルチモード干渉型光結合器（ＭＭＩ光結合器）７３が構成されている。

下部電極４１と上部電極４２の電極構造は寄生容量をなるべく抑えるため、不図示の電圧印加手段との電気的接続を行なうための引き出し電極の領域をなるべく小さくした構造である。本デバイスの断面構造は図４（ｂ）に示すように、電極４１，４２が配置された側については図１の構造と同様である。電極４１，４２が配置されていない側のＭＭＩ光結合器７３の断面構造においては、上部コア６１、下部コア６２、下部クラッド５１、及び上部クラッド５３で光導波路を構成している。なお、ＭＭＩ光結合器７３の代わりに、方向性結合器を用いても有効である。

図４における導波路型光デバイス１Ａにおいて、リング半径を１００ミクロン、ＭＭＩ導波路長を７０ミクロンとしたとき、図５に示すように、下部電極４１と上部電極４２の間に電圧を印加すると、導波路型光デバイス１Ａの入力ポート７１と出力ポート７２間の光透過率が変化する。下部電極４１に０Ｖ、上部電極４２にバイアス電圧３．５Ｖと振幅電圧３Ｖを印加すると消光比（Extinction Ratio）は７ｄＢとなった。なお、消光比とは、光変調器のオン状態とオフ状態のときの光の強さの比をいう。

（第３の実施形態例）
図６は、本発明の第３の実施形態例による導波路型光デバイスの断面図である。図６（ａ）はマッハツェンダー型変調器としての導波路型光デバイス１Ｂの上面図を、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ’断面図を矢印から見たときの断面図を示している。この導波路型光デバイス１Ｂは並列の２つの導波路の両端にＹ分岐導波路７４，７５を結合し、夫々のＹ分岐導波路７４，７５の導波路とは反対側の端部を入力ポート７１と出力ポート７２としたものである。

図６（ｂ）に示されるように各導波路の断面構造は図１と同様であるが、下部電極４１１と上部電極４２２の幅はコア層の幅程度である。

このような変調器の動作方法は非特許文献１と同様である。すなわち、変調器での光は入力ポート７１からＹ分岐導波路７４を介して分岐され、並列する２つの導波路を伝搬したのち他方のＹ分岐導波路７５で合波され、出力ポート７２より出力される。このような変調器では、片方の導波路の上部電極４２１に、バイアス電圧Ｖｂに振幅電圧Ｖｍが加えられた電圧（Ｖｂ＋Ｖｍ）を印加し、もう片方の導波路の上部電極４２２に（Ｖｂ−Ｖｍ）の電圧を印加し、下部電極４１１，４１２に０Ｖの電圧を印加することで、変調器の動作を可能となる。

なお、並列する２つの導波路のうち片方の導波路のみに電圧印加してもよく、また、片方の導波路のみに電極を設置して動作させてもよい。また、Ｙ分岐導波路の代わりに方向性結合器やＭＭＩ光結合器を用いてもよい。

以上に実施形態例を挙げて説明したように、本発明による導波路型光デバイスでは、リッジ形コア層（６１、６２）をフィールド分布を変化させないように部分的に形成することにより、引き出し電極の寄生容量が低減し、信号伝送の高速化を容易にする効果がある。

また、上部電極（４２）と下部電極（４１）の重なり部分を、分離されたリッジ形コア層の部分のみに位置させることによって、光導波路及びその近傍に電界を垂直に印加することが出来る。これにより、効率的な電界印加すなわち低電力化を容易にする効果がある。

以上に例示した本発明の導波路型光デバイスの活用例として、ＬＳＩチップ内での光配線や、チップ間の光インターコネクションや、光通信への適用が挙げられる。

なお、本発明の実施形態例について図面をもとに説明したが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲において、図示した構造、形に限定することなく、上記実施形態例を適宜変更して実施することは可能である。例えば、上記の実施形態例において逆リッジ形導波路を用いた光デバイスを例示したが、コア層の形状は逆リッジ形に限定されない。つまり、上部コア６１と下部コア部６２の幅は、一方が導波路のシングルモード条件を満たす幅であり、他方が光のフィールド分布の幅程度以上であればよい。

また、上部電極または下部電極の、上下方向に重なりをもたない部分に、下部クラッドまたは上部クラッドが広がって配置されていても設計の範囲で許される。さらには、上部電極と下部電極の重なり部分がコア層よりも広く、側部クラッド層へ広がって配置されていても同様である。

また、本発明の実施形態例では上部電極と下部電極のどちらかが電圧を印加する電極についての記述であり、集中定数型の線路や、分布定数型のマイクロストリップ線路の場合はそのまま当てはまる。しかし、分布定数型のグランデッドコプレーナ線路の場合、上記の実施形態例での上下電極の記述は信号電極とグランド電極の関係のことを示し、上下の重なり部分が同電位のグランド電極どうしの部分についてはその限りでない。
また、この出願は、2007年12月14日に出願された日本出願特願2007-323330を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成された第一電極と、
   前記第一電極の上に形成された第一クラッドと、
   前記第一クラッドの上に形成された第一コア部と、
   前記第一コア部の上に形成された第二コア部と、
   前記第二コア部の上に形成された第二クラッドと、
   前記第二クラッドの上に形成された第二電極と、
   前記第一コア部と第二コア部とからなるコア層の側面を覆う側部クラッド層と、を有し、
   前記第一コア部と第二コア部は一方の幅が導波路のシングルモード条件を満たす幅であり、他方の幅が光のフィールド分布の幅程度以上であり、かつ、
   前記第一電極と前記第二電極の上下重なり部分は前記コア層の領域を挟むように配置されている、導波路型光デバイス。
2. 前記側部クラッド層の誘電率は前記第一クラッドと前記第二クラッドの誘電率よりも小さい、請求の範囲１に記載の導波路型光デバイス。
3. 前記第一コア部および前記第二コア部の誘電率と、前記第一クラッドおよび前記第二クラッドの誘電率がほぼ等しい、請求の範囲１または２に記載の導波路型光デバイス。
4. 前記第一コア部と前記第二コア部は電気光学結晶材料で構成されている、請求の範囲１から３のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
5. 前記上下重なり部分は前記コア層の領域とほぼ等しい場所にある、請求の範囲１から４のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
6. 前記第一電極と前記第二電極の幅は前記コア層の幅程度である、請求の範囲１から４のいずれかに記載の導波路型光デバイス。

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