JP5010408B2

JP5010408B2 - 光変調器

Info

Publication number: JP5010408B2
Application number: JP2007239447A
Authority: JP
Inventors: 健治河野; 勇治佐藤; 雅也名波; 靖二内田; 信弘五十嵐; 中平　　徹; 英司川面; 松本　　聡
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: JP2009069616A

Description

本発明は、電気光学効果を利用して、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。

近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。

このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。

以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したＬＮ光変調器について説明する。

（第１の従来技術）
図８は、ｚ−カットＬＮ基板を用いて構成した特許文献１に開示された第１の従来技術のＬＮ光変調器（あるいは、プレーナ型ＬＮ光変調器）についての斜視図であり、図９は図８のＡ−Ａ´線における断面図である。

ｚ−カットＬＮ基板１に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。従って、光導波路３の電気信号と光が相互作用する部（相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。

この光導波路３の上面にＳｉＯ_２バッファ層２が形成され、このＳｉＯ_２バッファ層２の上面に進行波電極４が形成されている。進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いている。なお、通常、進行波電極４はＡｕにより形成されている。５はｚ−カットＬＮ基板１を用いて製作したＬＮ変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するためのＳｉ導電層である。なお、説明の簡単のために、図９においては図８には図示したＳｉ導電層５を省略している。

変調用の高周波（ＲＦ）電気信号をこの光変調器の高周波電気信号給電線６を介して中心導体４ａと接地導体４ｂに供給すると、中心導体４ａと接地導体４ｂの間に電界が印加される。ｚ−カットＬＮ基板１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、２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の位相にずれが発生する。このずれがπになった場合、光導波路３のマッハツェンダ光導波路としての合波部において、高次モードを励振し、光はＯＦＦ状態になる。なお、７は高周波電気信号出力線であり、終端抵抗で置き換えても良い。

図９からわかるように、図８に示した特許文献１の光変調器の特徴としては、１）中心導体４ａの幅Ｓを相互作用光導波路３ａ、３ｂ（以下、光導波路３ａ、３ｂともいう）の幅とほぼ同じ６μｍ〜１２μｍ程度としている、２）中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップＷを例えば１５μｍと広くしている、さらに３）光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を構成する金属による吸収を抑えるためにのみ使用されてきたＳｉＯ_２バッファ層２の比誘電率が４〜６と比較的低いことを利用して、ＳｉＯ_２バッファ層２の厚みＤを４００ｎｍ〜１．５μｍ程度と厚くすることにより、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍを低減して、光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけるとともに、特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけている。また、図９に示した第１の従来技術では、特許文献２に開示された進行波電極４の厚みを場合によっては約３０μｍと厚くすることによりマイクロ波等価屈折率ｎ_ｍをよりいっそう低減して、光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけている。このように厚い進行波電極４は例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓ、あるいは４０Ｇｂｉｔ／ｓのような高速光変調には必須となる。この第１の従来技術は５０Ω系の特性インピーダンスを有するＬＮ光変調器としてブレークスルーとなり、広く使用されている。

ところが、進行波電極４が例えば３０μｍと極めて厚い場合には、この第１の従来技術は焦電効果に起因する温度ドリフトの対策であるＳｉ導電層５を具備していても、ｚ−カットＬＮ基板１と進行波電極４の熱膨張係数の差による応力に起因する温度ドリフトについて問題があることがわかった。

以下にその原因について詳しく説明する。図９からわかるように、中心導体４ａの直下の光導波路３ｂについては、接地導体４ｂ、４ｃとは独立しているので、ｚ−カットＬＮ基板１の表面に平行な方向の応力は左右で均衡している。従って光導波路３ｂについて屈折率の変化を引き起こす実質的な応力は発生していないと考えてよい。

ところが、光導波路３ａについては、前述のように約３０μｍの厚い接地導体４ｂが光導波路３ａの上方のみでなく、相互作用部から数十〜１００μｍ以上離れた距離にある外周部１０ｂ（そして、外周部１０ａにも）とともに形成されている。そして、接地導体４ｂを構成するＡｕとｚ−カットＬＮ基板１の熱膨張係数は互いに大きく異なる。さらに、ｚ−カットＬＮ基板１の幅は数ミリメートル（例えば、１ｍｍ〜５ｍｍ）と広い。一方、相互作用光導波路３ａ、３ｂのギャップは約１５μｍ程度と狭いので、接地導体４ｂや４ｃの幅は各々ｚ−カットＬＮ基板１の幅の約半分と言えるくらいに広い（換言すると、外周部１０ａや１０ｂが広い）。つまり、図９の接地導体４ｂの幅も広いので環境変化に起因する熱膨張や熱収縮などの応力が積み重なり、光導波路３ａへかなり大きな応力がかかる。そしてこの応力は接地導体４ｂの厚みが厚いほど（つまり、接地導体４ｂの上面がｚ−カットＬＮ基板１の上面から離れるほど）、モーメントとしてより大きな応力を作用する。

（第２の従来技術）
この第１の従来技術の問題点を解決するために、特許文献３に開示された第２の従来技術に基づいて実際にＬＮ光変調器を試作した。その試作したＬＮ光変調器についてその上面図を図１０に、またそのＢ−Ｂ´における断面図を図１１に示す。これらの図からわかるように、この第２の従来技術では第１の従来技術として示した図９における接地導体４ｂをその厚みが厚い接地導体４ｂ´、４ｂ´´と約３００ｎｍと薄い接地導体４ｂ´´´の３分割する構成としている。いわば、厚い接地導体４ｂ´と４ｂ´´を薄い接地導体４ｂ´´´により接続する構造と言える。

このように接地導体４ｂ´´´の厚みを薄くすることにより接地導体４ｂ´´´の上面とｚ−カットＬＮ基板１の上面との距離が近くなる。従って、広い接地導体４ｂ´´からの応力のモーメントを接地導体４ｂ´に伝えることが少なくなり、光導波路３ｂに与える応力が小さくなる。その結果、温度ドリフトを改善できるという考え方である。

図１２には実際に試作したＬＮ光変調器の環境温度Ｔを２０℃から８０℃まで変化させた場合のこの第２の従来技術による温度ドリフト改善の効果を環境温度Ｔに対するバイアス電圧の変化ΔＶとして点線で示す。なお、相互作用部（前述のように、相互作用光導波路３ａと３ｂを伝搬する光と高周波電気信号が相互作用する部位）の長さは３ｃｍとした。図中、比較のために第２の従来技術の工夫を施さない第１の従来技術で製作したＬＮ光変調器の温度ドリフト特性を破線で示している。なお、両者とも進行波電極４の厚みは３０μｍとした。

図１２からわかるように、環境温度Ｔを２０℃から８０℃まで変化させると、第１の従来技術では約４Ｖと大きな温度ドリフトを発生する。そして、第２の従来技術では１Ｖ弱の温度ドリフトに抑圧することができた。しかしながら、この第２の従来技術の工夫をしているにも関わらずＬＮ光変調器に要求される温度ドリフトとしては１Ｖという値は実用の観点からはまだ大きいと言わざるを得ず、解決すべき問題である。

この大きな温度ドリフトは２つの要因により引き起こされていると考えられる。まず、第１の要因は高周波電気信号と相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光とが速度整合に近づくようにと３０μｍまで厚くしたことにより発生した熱膨張や熱収縮に起因する大きな応力（モーメント）である。熱膨張や熱収縮に起因する応力は進行波電極４の厚みが厚いほど大きくなる。しかしながら、この厚い進行波電極４は高性能な光変調器を実現する上で必要なことであり、避けることはできない。

２つめの要因は第１の要因より重要である。つまり、環境温度が変化したことにより面積が広くて厚い接地導体４ｂ´´に生じた応力により、接地導体４ｂ´´´は薄いながらも相互作用の長手方向全体にわたって接地導体４ｂ´´の側面全体を押す。そのため、相互作用光導波路３ａに応力を加えることになるので、その屈折率を変化させてしまう。
特開平２−５１１２３号公報特開平１−９１１１１号公報特許第３６６０５２９号公報

以上のように、プレーナ型ＬＮ光変調器として提案された従来の第１技術では電極を構成するＡｕとｚ−カットＬＮ基板との熱膨張係数の差に起因する接地導体からの応力が温度とともに最適ＤＣバイアス点を変化させる温度ドリフトを生じた。この温度特性を改善するために提案された第２の従来技術においても、環境温度が変化したことにより面積が広くて厚い接地導体４ｂ´´に生じた応力を接地導体４ｂ´´´は薄いながらも相互作用の長手方向全体にわたって接地導体４ｂ´´の側面全体を押すので、結果的に相互作用光導波路３ａに応力を加え、その屈折率を変化させてしまっていた。

また、第１及び第２の従来技術とも厚くて広い接地導体を有するので、高価なＡｕの使用量が多く、ＬＮ光変調器としてのコストが上昇する一因となっていた。つまり、光変調器として温度安定化を実現でき、かつコストが低い光変調器の開発が急務となっている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光変調特性が高性能であるとともに、安定性とコストについて改善された光変調器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する表面がほぼ平坦な基板と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、少なくとも前記中心導体の下方もしくはその近傍に少なくとも１本の光導波路を有する光変調器において、前記基板がリチウムナイオベートからなり、前記接地導体は厚みが厚い部位と薄い部位を有し、該厚みが薄い部位により該厚みが厚い部位同士が接続され、前記厚みが薄い部位に導体が欠落した部位を具備し、前記厚みが薄い部位の上面は厚みが厚い部位の上面よりも前記基板の表面に近くなるように形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２の光変調器は、前記接地導体の前記厚みが薄い部位にパターンが形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、前記接地導体に、前記接地導体の体積と面積の比が、前記厚みが厚い部位における前記接地導体の体積と面積の比よりも小さい領域を、前記厚みが薄い部位以外にさらに設けたことを特徴とする。

本発明に係る光変調器では、ＬＮ光変調器の環境温度が変化した際に、電極とＬＮ基板の材料としての熱膨張係数の差に起因する応力が接地導体側の相互作用光導波路に印加されるのを防ぐことにより、熱ドリフトが小さなＬＮ光変調器を提供することが可能となるという優れた効果がある。さらに、貴金属である高価なＡｕの使用量が少なくて済むのでＬＮ光変調器としてのコストを抑えることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図８から図１２に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１に本発明の第１の実施形態についてその上面図を示す。また、Ｃ−Ｃ´、Ｄ−Ｄ´における断面図を各々図２と図３に示す。ここで、４ｂ^（４）、４ｂ^（５）、４ｂ^（６）、及び４ｃは接地導体である。また、１１は接地導体４ｂ^（４）と４ｂ^（６）の間に設けた幅Ｗｗで長さＬｗの空隙部であり、導体が欠落している。また、接地導体４ｂ^（４）接地導体４ｂ^（６）を電気的に接続する接地導体４ｂ^（５）の幅と長さは各々幅Ｗｗと幅Ｌｅである。

接地導体４ｂ^（６）はその厚みが例えば３０μｍと厚く、かつその幅も数百ミクロンからミリメートルのオーダーと広い。従って、前述のようにＬＮ光変調器の環境温度が変化した場合には接地導体４ｂ^（６）とｚ−カットＬＮ基板１の大きな熱膨張係数の差に起因して応力が発生する。

ところが、図１０や図１１において説明した第２の従来技術と異なり、本実施形態では図１や図２に示すように空隙部１１を設けている。従って、第２の従来技術のように、相互作用部の長手方向全域にわたって厚みが薄い接地導体が接地導体４ｂ^（４）を押すことはなく、接地導体４ｂ^（６）により発生した応力のうち接地導体４ｂ^（４）に伝わる割合を大幅に小さくすることができる。

さらに、空隙部１１の幅Ｗｗを中心導体４ａと接地導体４ｂ^（４）あるいは４ｃとのギャップＷに近くなるように設計しておけば、中心導体４ａと接地導体４ｂ^（４）、４ｂ^（６）、あるいは４ｃが相互作用光導波路３ａ、３ｂの中心軸にとって、左右対称となる配置となり、温度ドリフトの観点から好都合である。

但し、図２の空隙１１が図１の相互作用部全域にわたって形成されていると、高周波電気信号が接地導体４ｂ^（４）により損失を受ける。そのため、高周波電気信号の伝搬損失が増加するので、高速光変調の観点から好ましくない。そこで、図１に示すように空隙部１１を長さＬｗで形成するとともに、厚みが薄い接地導体４ｂ^（５）を長さＬｅで形成しておく。

勿論、これらの空隙部１１と接地導体４ｂ^（５）はレチクルパターンにより形成するので一括してパターニングすることができる。また、通常、進行波電極を厚くメッキする場合には下地電極としてＡｕを形成しておく必要があるので、中心導体４ａ、接地導体４ｂ^（４）、４ｃを厚くメッキする際の下地電極をそのまま厚みが薄い接地導体４ｂ^（５）とすれば良い。つまり、幅が中心導体４ａと同程度（６μｍ〜１２μｍ程度）に狭い接地導体４ｂ^（４）と接地導体４ｂ^（６）とを金ワイヤなどでボンディングする必要がなく製作が極めて簡単で、歩留まりが良い（なお、幅が極めて狭い接地導体４ｂ^（４）と接地導体４ｂ^（６）との金ワイヤなどによるボンディングは製作が困難であるため好ましくない）。

なお、空隙部１１の長さＬｗと接地導体４ｂ^（５）の長さＬｅの比はゼロに近いほど光変調の観点からは有利であるが、温度ドリフトの観点からは不利となる。またこの比は１に近いほど温度ドリフトの観点からは有利となるが、光変調の観点からは不利となる。

図４には空隙部１１の長さＬｗと接地導体４ｂ^（５）の長さＬｅが各々１ｍｍと１００μｍの場合について、温度ドリフトを測定した結果を実線で示す。比較のために第１の従来技術と第２の従来技術によるＬＮ光変調器の特性を各々破線と点線で示す。図からわかるように、本実施形態では２０℃から８０℃までの環境温度変化に対してのＤＣバイアスの温度ドリフトは０．２〜０．３Ｖ程度と大幅に改善できた。なお、実際の光伝送におけるアイパターンによる動的消光比の観点からは高周波変調特性の劣化は実用の範囲で許容できた。

また、本実施形態における空隙部１１の長さＬｗと接地導体４ｂ^（５）の長さＬｅの絶対値と比は一例であり、実用上有用な範囲はかなり広く、これに留まらないことは言うまでもない。但し、空隙部１１の長さＬｗを零とすると温度ドリフトが生じるので実用に供しない。

また厚みが薄い接地導体４ｂ^（５）のパターンは図１のように中心導体４ａの長手方向に垂直でも、斜めでも良いし、さらには円弧や格子状等、空隙部を形成できる限りあらゆる形を適用できる。

（第２の実施形態）
図５には本発明における第２の実施形態の上面図を示す。また、図５のＥ−Ｅ´とＦ−Ｆ´での断面図を各々図６と図７に示す。これらの図からわかるように、この第２の実施形態では第１の実施形態での工夫に加え、使用する貴金属であるＡｕの量を減らしている。つまり、高周波電気信号の伝搬ロスの増加を防ぐという観点からは、厚みが厚い接地導体４ｂ^（７）や４ｃ´の幅は数十〜１００μｍ程度あれば充分である。従って、それ以上広い領域に相当する外周部１０ａや１０ｂの上方にある接地導体４ｂ^（８）や接地導体４ｃ´´の厚みを薄くすることにより、高価なＡｕの使用量を減らし、ＬＮ光変調器の原価を低減することに寄与している。なお、接地導体４ｂ^（８）と接地導体４ｃ´´のどちらか一方のみの厚みを薄くしても良いことは言うまでもない。

またこの時、外周部１０ａ、１０ｂにおける接地導体の体積と面積の比がその他の領域における接地導体の体積と面積の比よりも小さくなるようにすれば、高価なＡｕの使用量を著しく低減できるのでＬＮ光変調器の原価を低減する効果が著しい。

（各実施形態）
分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもなく、考え方は３本以上の光導波路にも適用可能であるし、１本の光導波路を中心導体の下方もしくはその近傍に設置する位相変調器にも適用できる。また光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてＡｌ_２Ｏ_３等のＳｉＯ_２以外の各種材料も適用できる。

また、ｚ−カットＬＮ基板について説明したが、ｘ−カットやｙ−カットなどその他の面方位のＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレート基板、さらには半導体基板など異なる材料の基板でも良い。

以上のように、本発明に係る光変調器は、高性能なリッジ型の光変調器において、広い面積の接地導体の厚みを薄くすることにより、温度ドリフト特性が優れた、またコストを低減した光変調器として有用である。

本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す上面図図１のＣ−Ｃ´における断面図図１のＤ−Ｄ´における断面図本発明の効果を説明する図本発明の第２の実施形態に係わる光変調器の概略構成を示す上面図図５のＥ−Ｅ´における断面図図５のＦ−Ｆ´における断面図第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図図８のＡ−Ａ´における断面図第２の従来技術の光変調器についての概略構成を示す上面図図１０のＢ−Ｂ´における断面図第１の従来技術と第２の従来技術についての温度ドリフト特性を説明する図

符号の説明

１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ_２バッファ層（バッファ層）
３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ、３ｂ：マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｂ´、４ｂ´´４ｂ´´´、４ｂ^（４）、４ｂ^（５）、４ｂ^（６）、４ｂ^（７）、４ｂ^（８）、４ｂ^（９）、４ｃ、４ｃ´、４ｃ´´：接地導体
５：Ｓｉ導電層
６：高周波（ＲＦ）電気信号給電線
７：高周波（ＲＦ）電気信号出力線
１０ａ、１０ｂ：外周部
１１：空隙部（導体が欠落した部位）

Claims

電気光学効果を有する表面がほぼ平坦な基板と、前記基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層の上方に配置された中心導体と接地導体からなる進行波電極と、少なくとも前記中心導体の下方もしくはその近傍に少なくとも１本の光導波路を有する光変調器において、
前記基板がリチウムナイオベートからなり、
前記接地導体は厚みが厚い部位と薄い部位を有し、該厚みが薄い部位により該厚みが厚い部位同士が接続され、前記厚みが薄い部位に導体が欠落した部位を具備し、前記厚みが薄い部位の上面は前記厚みが厚い部位の上面よりも前記基板の表面に近くなるように形成されていることを特徴とする光変調器。
前記接地導体の前記厚みが薄い部位にパターンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記接地導体に、前記接地導体の体積と面積の比が、前記厚みが厚い部位における前記接地導体の体積と面積の比よりも小さい領域を、前記厚みが薄い部位以外にさらに設けたことを特徴とする請求項１もしくは請求項２の何れか一つに記載の光変調器。