JP5991339B2

JP5991339B2 - 光制御素子

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Publication number: JP5991339B2
Application number: JP2014073504A
Authority: JP
Inventors: 徳一宮崎; 秀樹一明
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015197452A; WO2015151978A1

Description

本発明は、光制御素子に関し、特に、変調電極に２つ以上の信号電極を有する光制御素子に関する。

ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する基板に、光導波路と変調電極を形成し、該光導波路を伝播する光波を該変調電極で変調を光制御素子が実用化されている。近年では、光通信分野などでの通信速度の高速化や通信データの大容量化等のニーズに応えるため、差動四相位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ変調，Differential Quadrature Phase Shift Keying）方式など複数のマッハツェンダー型光導波路（ＭＺ型光導波路）を複数の変調信号で駆動することが行われている。また、偏波合成を利用したＤＰ−ＱＰＳＫ変調器などコヒーレント多値通信用に複数の信号電極を備えた集積型変調器も利用されている。

複数の光導波路と複数の信号電極を有している光制御素子においては、各信号電極には異なる変調信号が入力される場合が多く、各々の光導波路に互いに異なる変調信号が印加されるように構成されている。このため、特定の光導波路に予め定められた変調信号以外の電界が作用すると、信号光の消光比などの光制御素子の光学特性が劣化する原因となる。このような現象はクロストークと呼ばれている。

電極間のクロストークを抑制するには、光導波路の間隔や電極の間隔を広げることが効果的ではあるが、このような対策は光制御素子のサイズが大きくなる原因となり、好ましくない。また、特許文献１に示すように、光導波路又は信号電極の間に溝を形成する方法も提案されているが、光制御素子の製造工程に溝を設ける工程が別途追加されるため、製造時間及びコストが増加することとなる。また、３０μｍ以下の厚みを有する基板を使用した光制御素子では、溝自体が形成できないか、形成できても基板が破損し易くなるなどの不具合を生じる。

また、変調信号の周波数が広帯域化するに従い、信号電極を挟む接地電極同士に動作状態に対応した局所的な電位差が発生する。このため、信号電極と該信号電極を挟む接地電極との間に発生する電界の変化が、信号電極の左右で異なる現象が生じる。光導波路にこのような電界が印加されると、意図した変調動作が期待できず、光制御素子の変調特性が大幅に劣化することとなる。

このような問題を解消するため、本出願人は、特許文献２において、図１及び２に示すように、２つ以上の信号電極（３１，３２）が並んだ光制御素子で、変調作用部に接地電極（４１，４２，４３）同士を金線（５１，５２）でボンディングすることを提案した。これにより、作用部の高周波的な接地電位が安定し、電極間のクロストークを抑制し広帯域周波数で安定した変調動作が可能となることを示した。図２は、図１の一点鎖線Ａ−Ａ’における断面図である。上述した以外の各符号は、基板１、光導波路（２１〜２３）、接地電極（４４〜４６）、金線などのボンディング接続線路（５３，５４）を示す。

通常、接地電極の接続にはワイヤーボンディングなどの手段が用いられる。ボンディング部は、金などのボンディング線を、針形状のボンディングツールを用いて、超音波でボンディング（熱超音波圧着）される。一般に用いられる細線の金線は２０〜３０μｍであり、その場合でもボンディング部として１００μｍ程度のスペースが必要である。

一方、光制御素子の低コスト化や小型化のためには、光制御素子をより狭幅化する必要がある。そのためには信号電極間隔をより狭くする必要があり、それに応じて信号電極間の接地電極幅がより狭くなり、例えば幅２００μｍ以下のものも用いられる。このような場合に、ボンディング部の位置ずれなどによってボンディング部と信号電極の短絡が発生したり、またはスペース不足でボンディングができないということが発生した。このような問題は，４つのＭＺ構造が並列するＤＰ−ＱＰＳＫ変調器等の高集積化した光制御素子ではより顕著となる。

特開２００９−５３４４４号公報特許第５０６７４６４号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光制御素子の狭幅化を行っても、電極間のクロストークを抑制することが可能な光制御素子を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の光制御素子は以下のような技術的特徴を有する。
（１）電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極とを有する光制御素子において、該変調電極は、少なくとも二つの信号電極と該信号電極を挟むように配置された接地電極から構成され、該変調電極が該光波に変調作用を及ぼしている該変調電極の作用部分には、二つの該信号電極の間に配置された該接地電極と、それ以外の該接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極の一部を跨ぐように配置された電気的接続手段が設けられ、該電気的接続手段は、少なくとも複数の接地電極の間を１本の導電線で接続するよう構成すると共に、該信号電極を跨ぎ該接地電極間を接続する導電線の長さは１ｍｍ以下であり、さらに、該電気的接続手段は、該導電線は複数本並べて配置し、該信号電極が延在する方向に対して隣接する導電線の間隔Ｌと、各導電線が該方向に対し斜めに配置され、導電線の両端部を結ぶ直線の該方向に対する長さＬ’とが、Ｌ＞Ｌ’の関係を満足することを特徴とする。特に、前記隣接する導電線の間隔Ｌと、前記導電線の両端部を結ぶ直線の該方向に対する長さＬ’とが、Ｌ’／Ｌが０．０８以下となる関係を満足することが好ましい。

（２）上記（１）に記載の光制御素子において、前記隣接する導電線の間隔Ｌは、該信号電極を伝搬する変調信号の周波数における波長λに対し、４分の１未満となるように設定されていることを特徴とする。

（３）上記（１）に記載の光制御素子において、前記隣接する導電線の間隔Ｌは、該信号電極を伝搬する変調信号の周波数における波長λに対し、１０分の１未満となるように設定されていることを特徴とする。

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光制御素子において、前記１本の導電線と該接地電極とが接続されている部分の少なくとも一部は、該接地電極の幅が２００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極とを有する光制御素子において、該変調電極は、少なくとも二つの信号電極と該信号電極を挟むように配置された接地電極から構成され、該変調電極が該光波に変調作用を及ぼしている該変調電極の作用部分には、二つの該信号電極の間に配置された該接地電極と、それ以外の該接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極の一部を跨ぐように配置された電気的接続手段が設けられ、該電気的接続手段は、少なくとも複数の接地電極の間を１本の導電線で接続するよう構成されているため、接地電極の幅が狭い場合でも、導電線のボンディングが可能となる。しかも、信号電極を跨ぐ箇所毎に導電線の両端を接地電極にボンディングする方法と比較し、本発明ではボンディング箇所を大幅に減らすことも可能となる。
また、該信号電極を跨ぎ該接地電極間を接続する導電線の長さは１ｍｍ以下であるため、接地電極間に高周波的な電位差を生じさせることが無い。
しかも、隣接する導電線の間隔Ｌと、各導電線が該方向に対し斜めに配置され、導電線の両端部を結ぶ直線の該方向に対する長さＬ’とが、Ｌ＞Ｌ’の関係を満足するよう設定することで、接地電極間の電位をほぼ同じに維持することができ、クロストークを抑制した良好な信号品質（例えば、周波数特性に関しバラツキが小さくなり安定性が増すこと）を得ることができる。

また、本発明の光制御素子では、電気的接続手段は、導電線を複数本並べて配置し、信号電極が延在する方向に対して隣接する導電線の間隔Ｌは、該信号電極を伝搬する変調信号の周波数における波長λに対し、４分の１未満、より好ましくは１０分の１以下となるように設定することで、信号電極間のクロストークを効率良く抑制することが可能となる。その結果、周波数特性自体が改善する。

なお、上述した長さＬ’についても同様に、波長λの４分の１未満、より好ましくは１０分の１以下とすることで、信号電極が延在する方向に垂直に配置される導電線と同等程度に、クロストークを抑制することが可能となる。

また、本発明の光制御素子では、１本の導電線と接地電極とが接続されている部分の少なくとも一部は、該接地電極の幅が２００μｍ以下であっても、良好な接続状態を達成できる。特に、信号電極が延在する方向に対して導電線を斜めに配置することにより、十分な接続領域を確保することができる。

特許文献２に開示された光制御素子の概略を示す平面図である。図１の一点鎖線Ａ−Ａ’における断面図を示す図である。本発明の光制御素子に係る平面図である。図３の一点鎖線Ａ−Ａ'における断面図を示す図である。図３の変調電極の一部を拡大した図である。本発明の光制御素子の他の実施例を示す図であり、特に、光制御素子における、接地電極同士を接続する導電線の配置を説明する図である。クロストークの影響を調べるために使用された、２本の信号電極を備えた光制御素子において、変調電極の様子を説明する図である。図７の光制御素子において、信号電極が延在する方向に対し、導電線の傾きを変化させた場合のクロストークの影響を示すグラフである。

以下、本発明の光制御素子について、好適例を用いて詳細に説明する。図３は本発明が適用される光制御素子の概略図であり、図４は、図３における一点鎖線Ａ−Ａ’における断面図である。また、図５は、図３の変調電極部分の拡大図である。
本発明の光制御素子は、図３乃至５に示すように、電気光学効果を有する基板１０１と、該基板に形成された光導波路（１２１〜１２４）と、該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極とを有する光制御素子において、該変調電極は、少なくとも二つの信号電極１３０と該信号電極を挟むように配置された接地電極１４０から構成され、該変調電極が該光波に変調作用を及ぼしている該変調電極の作用部分Ｓには、二つの該信号電極の間に配置された該接地電極と、それ以外の該接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極の一部を跨ぐように配置された電気的接続手段が設けられ、該電気的接続手段は、少なくとも複数の接地電極の間を１本の導電線１５０で接続するよう構成されていることを特徴とする。

電気光学効果を有する基板１としては、特に、ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５又はＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）のいずれかの単結晶が好適に利用可能である。特に、光変調器などの光制御素子で多用されているＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_５が、好ましい。また、基板に形成する光導波路は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）などの高屈折率物質を熱拡散することにより形成される。また、基板に光導波路に沿った凹凸を形成したリッジ型光導波路も利用可能である。さらに、図３では、Ｘカット型の基板を用いた光制御素子を例示しているが、本発明はこれに限らずＺカット型の基板でも同様に適用することが可能である。

図３はＤＰ−ＱＰＳＫ変調器に使用される光導波路を例示している。第１のマッハツェンダー型光導波路（ＭＺ型光導波路）１２１の分岐導波路に、２つの第２のＭＺ型光導波路（１２２，１２３）が挿入され、さらに、第２のＭＺ型光導波路の分岐導波路に４つの第３のＭＺ型光導波路１２４が挿入されている。第１のＭＺ型光導波路１２１の合波部１０２には、合波する２つの出力光を偏波面を変えて合成するように、偏波合成部が形成されている。本発明の光制御素子はこのような光導波路に限定されるものではないが、複数の光変調部を有する光制御素子においては、クロストーク現象が発生し易いため、本発明の構成を適用する優位性が高い。

変調電極は、信号電極１３０や接地電極１４０から構成され、基板表面に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンを形成し、金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、該バッファ層の上側に変調電極を形成することも可能である。本発明が適用される光制御素子は、複数の信号電極の間にも接地電極が配置された構成を有するものが、特に好ましい。

本発明の光制御素子では、マイクロ波信号が印加される複数の信号電極を接地電極が挟むように配置されており、変調電極が形成する電界が光導波路に印加されている変調電極の作用部分で、前記複数の接地電極を、１本の導電線で連続して接続（ワイヤーボンディング）することを特徴としている。図３又は図５に示すように、複数の接地電極２４０を接続するのに、１本の導電線２５０が使用され、各接地電極２４０上で導電線が超音波でボンディングされている。このように接続した導電線を必要に応じて複数本を並列に配置するよう構成している。

１本の導電線で複数（少なくとも３つ以上）の接地電極を連続ボンディングすることにより、１つの接地電極に必要なボンディング距離が小さくすることができる。しかも、ボンディング数が少なくなることで、光制御素子の製造時間を短縮することができる。さらには、基板が数十μｍ程度の薄板を用いる場合には、ボンディング回数の低減は、ボンディングによる基板へのダメージを軽減することにもなる。

光制御素子の狭幅化に伴い、信号電極に挟まれる接地電極の幅はますます狭くなる。特に、導電線が接続される部分の接地電極の幅が２００μｍ以下である場合に対しても、本発明は好適に適用することができる。これは、１本の導電線による接続で接続に必要な領域を最小化できることによる。また、図６に示すように、ボンディング方向（導電線の長手方向）を信号電極が延在する方向に対して傾斜させることにより、接続部分の領域をより広く確保することができる。これにより小型化した光制御素子でも、信号電極の両側の接地電極の接地電位が安定し，信号電極間のクロストークが抑制され，良好な変調信号品質をえることができる。

本発明の光制御素子に用いられる電気的接続手段としては、金線などの導電率の高い導電線が利用可能である。接地電極間に高周波的な電位差を生じさせないためには、導電線の抵抗性分やインダクタンス成分を小さくする必要がある。このため導電線は、できる限りループ高さ（信号電極を跨ぐ導電線の基板からの高さ）が低く、導電線の長さが短いことが望ましい。そのためには、好ましくはボンディング点と隣接するボンディング点との間における導電線の長さが、導電線と信号電極とがショートしない長さを保ちつつ、１ｍｍ以下、更に好ましくは０．５ｍｍ以下にすると良い。

図５及び６に示すように、導電線を複数配置する際には、導電線の間隔Ｌは、信号電極を伝搬する変調信号の周波数における波長λに対し、４分の１未満に設定することが好ましい。これにより、信号電極からの電界が接地電極を超えて漏れ出すことを抑制することが可能となる。より好ましくは、間隔Ｌを電気信号の波長の１０分の１以下に設定することで、確実にクロストークを抑制することが可能となる。しかも、信号電極が形成する電界が効率良く光導波路に印加されるため、広帯域周波数における変調効率の低下も抑制され、周波数特性を改善することが可能となる。

図６のように、信号電極が延在している方向に対して導電線の長手方向を傾斜させる場合には、信号電極が延在している方向に対して隣接する導電線の間隔Ｌと、各導電線の両端部を結ぶ直線の該方向（信号電極が延在している方向）に対する長さ（投影した長さ）Ｌ’とが、次の関係式を満足するように設定することが好ましい。
（関係式）Ｌ＞Ｌ’

上記長さＬ’が上記間隔Ｌより大きくなると、接地電極同士に電位差が発生し、信号電極の左右で接地電極との間に形成される電界に差が生じるなどの不具合が発生する。特に、導電線が複数本並列して配置されている場合には、図６の最上端の接地電極と最下端の接地電極とでは、Ｌ≦Ｌ’となる場合には、電位変動に大きな位相差が発生し、光制御素子の変調特性が大幅に劣化することとなる。

上記長さＬ’については、信号電極の左右の接地電極間で同電位となるようにするには、図５のように、信号電が延在する方向に対し垂直となるように導電線を配置する必要がある。これに近づけるため、前記方向に対する導電線の傾きを示す該長さＬ’は、Ｌ＞Ｌ’とし、さらに、上記間隔Ｌと同様に、信号電極を伝搬する変調信号の周波数における波長λに対し、４分の１未満、より好ましくは１０分の１以下とすることが望ましい。これにより、周波数特性のバラツキを小さくし、安定性を増加させることが可能となる。

光制御素子は、通常、金属ケースに収納されモジュール化されることが多い。このような場合には、光制御素子の側面付近の接地電極は、金属ケースや外部から導入される信号線の接地側端子に接続されている。

また、上述したように、電気的接続手段は、変調電極が光波に変調作用を及ぼしている作用部分に設けることが好ましい。これは、作用部分におけるクロストーク現象を最も抑制することが必要であるためである。また、このような作用部分は、光制御素子の基板の中央付近に存在し、接地電極がモジュールの金属ケースなどに接地される場所から最も遠い場所にある場合が多い。このため、十分な接地状態を確保し難いため、本発明のような電気的接続手段を用いて接地状態を強化・安定化することが必要である。

次に、２つのＭＺ型光導波路を並列に配置した場合のクロストークの影響（２×２ポートの電極のクロストーク特性）を調べた。図７に示すように、一方のＭＺ型光導波路（不図示）に沿って配置された信号電極１３０と他方のＭＺ型光導波路（不図示）に沿って配置された信号電極１３１とのクロストーク特性を測定する。

信号電極１３０の左端より信号Ｓ１を入力し、右端で終端器に吸収させる。他方、信号電極１３１の左端は終端器に接続し、右端から出力される信号Ｓ２を測定する。その結果を図８に示す。

導電線１５０が信号電極の延在する方向に垂直な場合（Ｌ’＝０）が最も良好な特性を発揮する。これに近い良好な結果を示すのが、Ｌ’／Ｌ＝０．０８（垂直に対する傾きは約４．５度）の場合である。Ｌ’／Ｌ＝０．７（垂直に対する傾きは約３５度）の場合は周波数が広帯域になるに従い、特性の劣化が顕著となっているのが分かる。

以上説明したように、本発明によれば、光制御素子の狭幅化を行っても、電極間のクロストークを抑制することが可能な光制御素子を提供することができる。

１，１０１，２０１基板
２１〜２３，１２１〜１２４光導波路
３１，３２，１３０，１３１信号電極
４１〜４７，１４０接地電極
５１〜５４，１５０導電線
１５１ボンディング場所

Claims

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝播する光波を変調する変調電極とを有する光制御素子において、
該変調電極は、少なくとも二つの信号電極と該信号電極を挟むように配置された接地電極から構成され、
該変調電極が該光波に変調作用を及ぼしている該変調電極の作用部分には、二つの該信号電極の間に配置された該接地電極と、それ以外の該接地電極とを電気的に接続すると共に、該信号電極の一部を跨ぐように配置された電気的接続手段が設けられ、
該電気的接続手段は、少なくとも複数の接地電極の間を１本の導電線で接続するよう構成すると共に、該信号電極を跨ぎ該接地電極間を接続する導電線の長さは１ｍｍ以下であり、
さらに、該電気的接続手段は、該導電線は複数本並べて配置し、該信号電極が延在する方向に対して隣接する導電線の間隔Ｌと、各導電線が該方向に対し斜めに配置され、導電線の両端部を結ぶ直線の該方向に対する長さＬ’とが、Ｌ’／Ｌが０．０８以下となる関係を満足することを特徴とする光制御素子。
請求項１に記載の光制御素子において、前記隣接する導電線の間隔Ｌは、該信号電極を伝搬する変調信号の周波数における波長λに対し、４分の１未満となるように設定されていることを特徴とする光制御素子。
請求項１に記載の光制御素子において、前記隣接する導電線の間隔Ｌは、該信号電極を伝搬する変調信号の周波数における波長λに対し、１０分の１未満となるように設定されていることを特徴とする光制御素子。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光制御素子において、前記１本の導電線と該接地電極とが接続されている部分の少なくとも一部は、該接地電極の幅が２００μｍ以下であることを特徴とする光制御素子。