JP5007629B2

JP5007629B2 - 光導波路素子

Info

Publication number: JP5007629B2
Application number: JP2007220256A
Authority: JP
Inventors: 薫日隈; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: JP2009053444A

Description

本発明は、光導波路素子に関し、ネスト型光導波路のように、光導波路において複数の光導波路部分が互いに平行配置され、少なくとも一つの該光導波路部分には該変調用電極による電界が印加される構成を有する光導波路素子に関する。

従来、近年、光通信分野において、ＳＳＢ(Single-Side band)変調方式やＤＱＰＳＫ（differential
quadrature phase shift keying）変調方式など、入力データ信号の周波数占有帯域をコンパクトにでき、波長分散に対する耐性の高い光変調方式が注目されている。これらの方式を実現する変調器として、複数の変調器が同一基板上に集積された集積型変調器が利用されている。

例えば、ＳＳＢ型光変調器では、２つのサブマッハツェンダ光導波路をメインマッハツェンダ光導波路の分岐導波路に組み込んだ構成、いわゆる、ネスト型導波路構造の光導波路素子が用いられている。このような光導波路素子においては、２つのサブマッハツェンダ型光導波路が互いに近接する上、各々に独立した変調信号が印加される。このような光導波路では、一方のサブマッハツェンダ光導波路に印加される変調信号の電界が、他方のサブマッハツェンダ光導波路にも影響を与える、いわゆるクロストークと呼ばれる現象を生ずる。このような現象は、ＳＳＢ光変調器のようなネスト型光導波路に限らず、同一基板上に複数の光変調器を配置した多チャンネル型の光変調器でも同様に発生する。

近接した光導波路間のクロストークを抑制する方法としては、特許文献１のように、変調信号を印加する電極を離間させる方法や、特許文献２のように、信号電極が位置する基板部分の裏面に溝を形成する方法や、さらには、特許文献３のように、多チャンネル型光変調器において、隣接する光変調器の光の進行方向を、互いに逆向きにする方法などが提案されている。しかしながら、いずれの方法においても、光導波路が近接して配置される場合には、クロストークを十分に抑制することが困難であった。
特開平９−２１８３８４号公報特開２００１−１７４７６６号公報特開２００１−２０１７２５号公報

近接する光導波路間のクロストークの影響を調べるため、一方の光導波路に印加される電界の強さを１（１００％）とした場合に、該電界が他方の光導波路に与える電界の強さの変化を、導波路間隔に対応して計算した所、図４のような傾向が見られた。導波路間隔が約１５０μｍの場合には、他方の光導波路に及ぼす電界の強さは約１％程度であり、約３００μｍの場合には約０．２％、約４００μｍの場合には約０．１％程度まで低下する。したがって、光導波路間隔を４００μｍ以上確保する場合には、クロストークの影響は極めて小さいが、光導波路間隔が常に４００μｍ以上となるように光導波路を配置すると、光導波路素子全体が大型化する不具合を生じる。特に、マッハツェンダ光導波路、さらにはネスト型光導波路の場合には、分岐導波路の分岐角度は、基板への光の放出を抑制するため、非常に小さく設定されているため、光導波路間隔が大きくなると光導波路素子全体が、長尺化し大型化する。

他方、マッハツェンダー型光変調器などの光導波路素子においては、基板の温度変化やＤＣ電界印加時にバッファ層に含まれるイオンが移動することにより、光変調器の変調曲線がシフトし、ＤＣバイアス点が変動する、いわゆるドリフト現象が発生することがある。このため、変調曲線のシフトに対応して動作点の変動を制御する必要がある。一般的に多用される方法として、低周波信号を重畳し、出力の変化から、その時点でのバイアス点を検出し、適切なＤＣ信号を印加してバイアス点を適正に維持するバイアス制御方法があり、通常、変調信号の１００分の１程度の振幅を持つ低周波信号が印加されている。しかしながら、上述したクロストークの影響により、光導波路が近接する場合には、隣接した光導波路に印加される変調信号の電界が、低周波信号と同程度の大きさで影響を与えることとなり、バイアス制御の精度が低下する原因ともなっている。

本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、ネスト型光導波路のように、光導波路が複数の光導波路部分を有し、該光導波路部分が互いに平行配置される光導波路素子において、光導波路部分が近接して配置される場合でも、各光導波路に印加される変調信号のクロストークを効果的に抑制することが可能な光導波路素子を提供することである。特に、本発明では、クロストークを低周波信号などの制御用信号の振幅の１／１０以下（変調信号の０．１％）程度に抑制することが望ましく、特に、光導波路部分間の距離が４００μｍ以下、より好ましくは３００μｍ以下の場合であっても、クロストークを効果的に抑制することが可能な光導波路素子を提供することである。

請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する基板と、該基板上に形成された光導波路と、該光導波路内を導波する光波を変調するための変調用電極とを有する光導波路素子において、該光導波路は、複数の光導波路部分が互いに平行配置され、少なくとも一つの該光導波路部分には該変調用電極による電界が印加される構成を有し、該光導波路部分間の距離が３００μｍ以下であり、かつ該光導波路部分間には溝が形成され、該溝の幅は５０μｍ以上であることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光導波路素子において、該溝の深さは４５０μｍ以上であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該光導波路部分は、ネスト型光導波路のサブマッハツェンダ導波路であり、該溝は異なるサブマッハツェンダ導波路間に形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該溝の内側には、導電性材料が充填又は付着されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、光導波路部分間の距離が３００μｍ以下であり、かつ該光導波路部分間には溝が形成されているため、光導波路素子の小型化・集積化を図りながら、変調用電極によるクロストークを抑制することが可能となる。

さらに請求項１に係る発明により、溝の幅は５０μｍ以上であるため、溝が無い場合のクロストークの影響度を約半分以下に抑制することが可能なる。

請求項２に係る発明により、溝の深さは４５０μｍ以上であるため、溝が無い場合のクロストークの影響度を約半分以下に抑制することが可能なる。

請求項３に係る発明により、光導波路部分は、ネスト型光導波路のサブマッハツェンダ導波路であり、溝は異なるサブマッハツェンダ導波路間に形成されているため、サブマッハツェンダ導波路毎に異なる変調信号を印加する場合でも、双方のクロストークを効果的に抑制することが可能となる。

請求項４に係る発明により、溝の内側には、導電性材料が充填又は付着されているため、クロストークをより抑制することが可能となる。

以下、本発明に係る光導波路素子について、詳細に説明する。
図１は本発明が適用可能なネスト型光導波路を示す平面図である。また、図２は、図１の一点鎖線Ｘにおける断面図を示している。なお、図１においては、光導波路の形状を説明するため、変調用電極を省略している。

図１の光導波路素子は、電気光学効果を有する基板１、この基板１の表面部分に形成された光導波路２−０〜２−９を具えている。光導波路は、光波の進行方向において、入力用導波路２−０、メインマッハツェンダ光導波路のメイン分岐導波路２−１，２−２、サブマッハツェンダ光導波路のサブ分岐導波路２−３〜２−６、更にメインマッハツェンダ光導波路のメイン分岐導波路２−７，２−８、そして出力用導波路２−９を有している。

図１のネスト型光導波路では、サブマッハツェンダ光導波路が互いに平行に配置されると共に、相互に近接して配置されている。また、図２に示すように、サブマッハツェンダ光導波路（２−３，２−４）に変調信号を印加するため、信号電極３−１と接地電極４−１，４−２が設けられている。また、他方のサブマッハツェンダ光導波路についても同様に、信号電極３−２と接地電極４−３，４−４が設けられている。

基板１は、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬＴ）結晶が好適に利用される。

光導波路の形成方法としては、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させることにより形成することができる。また、特許文献４のように基板１の表面に光導波路の形状に合わせてリッジを形成し、光導波路を構成することも可能である。
特開平６−２８９３４１号公報

変調用電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。
なお、特に図示してないが、基板１と変調用電極との間にはバッファ層を形成することもできる。これによって、光導波路を伝搬する光波が、変調用電極により吸収又は散乱されることを効果的に防止することができる。また、前記変調用電極から印加される変調信号と、前記光導波路内を導波する光波との速度整合をも向上させることができる。

本発明の光導波路素子は、図１のようなネスト型光導波路に限定されるものではないが、図１のサブマッハツェンダ光導波路のように、複数の光導波路部分が互いに平行配置され、少なくとも一つの該光導波路部分には変調用電極（信号電極及び接地電極）による電界が印加される構成を有しているものには、好適に用いることが可能である。

図４に示すように、光導波路部分間の距離が４００μｍより大きい場合には、クロストークによる電界の強さの影響を０．１％以下に抑制することが可能である。本発明の光導波路素子の特徴は、光導波路部分間の距離を３００μｍ以下としても、該光導波路部分間に溝を形成することにより、変調用電極によるクロストークを効果的に抑制することにある。具体的には、図１又は図２に示すように、溝１０を光導波路部分間（サブマッハツェンダ光導波路間）に形成する。

次に、図２を計算モデルとして、光導波路間の距離Ｌを固定し、溝の幅Ｗ及び深さＨを変化させた場合に、一方の変調用電極が形成する電界が、他方の光導波路に与える影響、いわゆるクロストークの大きさを計算した。
計算結果を、図３に示す。なお、Ｌは３００μｍとし、Ｗは１〜１０１μｍ、Ｈは１０〜５００μｍの範囲で変化させた。また、計算結果は、溝が無い場合に形成される電界の強さを１として計算している。

図３を見ると、溝１０の幅Ｗが５０μｍ以上又は溝１０の深さＨが４５０以上の場合には、クロストークに係る電界の強さを約半分以下に抑制可能であることが容易に理解される。つまり、光導波路部分間の間隔が３００μｍでありながら、４００μｍに離した場合と、同様の大きさにクロストークの影響を抑制することが可能となる。

次に、本発明の光導波路素子の応用例としては、図１又は２に示した溝１０の内側に、導電性材料を充填すること、あるいは導電性膜を形成することが可能である。この構成により、導電性材料等が電磁シールドに役割を果たし、一方の光導波路部分に係る変調用電極が形成する電界が、他方の光導波路部分に到達するのを抑制することが可能となる。

導電性材料（あるいは導電性膜）には、金、アルミなどの導電性を有するものであれば特に限定されないが、変調用電極の形成と同時に導電性材料を充填又は付着させる場合には、変調用電極と同様の材料を使用することも可能である。

以上のように本発明によれば、ネスト型光導波路のように、光導波路が複数の光導波路部分を有し、該光導波路部分が互いに平行配置される光導波路素子において、光導波路部分が近接して配置される場合でも、各光導波路に印加される変調信号のクロストークを効果的に抑制することが可能な光導波路素子を提供することが可能となる。

本発明を適用した光導波路素子の平面図である。図１に示す光導波路素子の一点鎖線Ｘに沿って切った場合の断面図である。溝の形状変化に対するクロストークに係る電界の強さの変化を示す図である。導波路間の距離の変化に対するクロストークの影響を示すグラフである。

１基板
２−０〜２−９光導波路
３−１，３−２信号電極
４−１〜４−４接地電極
１０溝

Claims

電気光学効果を有する基板と、
該基板上に形成された光導波路と、
該光導波路内を導波する光波を変調するための変調用電極とを有する光導波路素子において、
該光導波路は、複数の光導波路部分が互いに平行配置され、少なくとも一つの該光導波路部分には該変調用電極による電界が印加される構成を有し、
該光導波路部分間の距離が３００μｍ以下であり、かつ該光導波路部分間には溝が形成され、該溝の幅は５０μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。
請求項１に記載の光導波路素子において、該溝の深さは４５０μｍ以上であることを特徴とする光導波路素子。
請求項１又は２に記載の光導波路素子において、該光導波路部分は、ネスト型光導波路のサブマッハツェンダ導波路であり、該溝は異なるサブマッハツェンダ導波路間に形成されていることを特徴とする光導波路素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路素子において、該溝の内側には、導電性材料が充填又は付着されていることを特徴とする光導波路素子。