JP6551449B2 - 光変調素子 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路内を伝搬する光波を制御して光変調を行う光変調素子に関し、特に、広帯域の高周波信号により当該光波の制御を行う制御電極の設計自由度を向上し得る光変調素子に関する。

近年、光通信や光計測の分野においては、電気光学効果を有する基板に光導波路を配置した光導波路型の光変調素子が多く用いられている。光導波路型の光変調素子は、一般に、上記光導波路と共に当該光導波路内を伝搬する光波を制御するための制御電極を備える。

このような導波路型光変調素子として、例えば強誘電体結晶であるニオブ酸リチウム（LiNbO3）（「ＬＮ」とも称する）を基板に用いたマッハツェンダ型光変調素子が広く用いられている。マッハツェンダ型光変調素子は、外部から光波を導入するための入力光導波路と、当該入力光導波路により導入された光波を２つの経路に分けて伝搬させるための光分岐部と、当該光分岐部の後に分岐されたそれぞれの光波を伝搬させる２本の並行光導波路と、当該２本の並行光導波路を伝搬した光波を合波して外部へ出力するための出力光導波路とにより構成されるマッハツェンダ型光導波路を備える。また、マッハツェンダ型光変調素子は、電圧を印加することで、電気光学効果を利用して上記並行光導波路内を伝搬する光波の位相を変化させて制御するための制御電極を備える。当該制御電極は、一般に、上記並行光導波路の上部又はその近傍に配置された信号電極（高周波電極）と、当該信号電極に離間して配置された接地電極とで構成され、高周波信号を並行光導波路内の光波の伝搬速度と同じ速度で伝搬させる信号線路を構成している。

従来、ＬＮ基板を用いたマッハツェンダ型光変調素子における上記制御電極の素材としては、素材の長期安定性、及びボンディング等の製造容易性の観点から、金（Ａｕ）が用いられている。一方、制御電極が構成する信号線路に高周波信号を伝搬させて行う光変調動作の観点からは、より高い導電性を有し導体損失の少ないことが望ましい。すなわち、制御電極における高周波伝搬損失と特性インピーダンスとのトレードオフの制約を軽減して、所望の特性インピーダンスにて広帯域化を図るには、制御電極の導体損失を低減することが必要となる。

このため、従来、制御電極を厚くしたり、制御電極の一部の幅を広くして当該断面をキノコ状とすることにより、当該制御電極の断面積を大きくして導体損失を低減することが行われている（特許文献１、２参照）。

しかしながら、制御電極断面の形状やサイズの工夫によって実現し得る導体損失低減の程度には限界があり、さらなる広帯域化に向けて、上記トレードオフの制限をさらに軽減して制御電極の設計自由度を向上することが望まれる。

特開平１−９１１１１号公報 特開平８−１２２７２２号公報

上記背景より、光導波路上に形成された制御電極に高周波信号を伝搬させて光変調を行う光変調素子において、電極の設計自由度を向上して更なる広帯域化を実現し得るようにすることが望まれている。

本発明の一の態様は、基板に形成された光導波路と制御電極とを含み、当該制御電極に通電することにより前記光導波路内を伝搬する光波を制御して光変調を行う光変調素子であって、前記制御電極は、高周波信号が伝搬する信号線路を構成する高周波電極と、バイアス電圧が印加されるバイアス電極と、で構成され、前記高周波電極は銅又は銅合金で構成される導電層を有する。
本発明の他の態様によると、前記高周波電極の上部表面の一部に、金（Ａｕ）で構成される表面層が形成されている。
本発明の他の態様によると、前記バイアス電極は、銅又は銅合金で構成される導電層を含まない。

本発明の一実施形態に係る光変調素子の構成を示す図である。 図１に示す光変調素子のＡＡ断面矢視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る光変調素子の構成を示す図である。また、図２は、図１に示す光変調素子のＡＡ断面矢視図である。本光変調素子１０は、基板１００上にマッハツェンダ（ＭＺ、Mach-Zehnder）型光導波路１０２が配置された、マッハツェンダ型光変調素子である。

基板１００は、電気光学効果を有するニオブ酸リチウム（ＬＮ）から成る基板であり、例えばＺカットのＬＮ基板である。基板１００上には、非導電性の材料から成る非導電層１２０が配置されている。この非導電層１２０は、例えば、ＭＺ型光導波路１０２を伝搬する光波が後述する電極１０８等により吸収されて光損失を生ずるのを避けること等を目的として設けられる、いわゆるバッファ層であるものとすることができ、例えば基板１００よりも誘電率の低い材料（具体的な材料については後述する）により構成される。

ＭＺ型光導波路１０２は、並行光導波路１０４、１０６を有する。並行光導波路１０４、１０６の直上部には、それぞれ、当該並行光導波路１０４、１０６に沿って高周波（ＲＦ）電極１０８、１１０が配置されており、ＲＦ電極１０８、１１０のそれぞれから所定の離間距離だけ離れて当該ＲＦ電極１０８、１１０を挟むように、接地電極１１２、１１４、１１６が配置されている。ＲＦ電極１０８と接地電極１１２、１１４との間、及びＲＦ電極１１０と接地電極１１４、１１６との間には、並行光導波路１０４、１０６を伝搬する光波を制御するための高周波信号がそれぞれ印加される。これらの高周波信号により、ＭＺ型光導波路１０２の図示左端から入力された光波が変調（例えば、強度変調）されて、図示右端から出力される。

また、基板１００上には、２つの並行光導波路１０４、１０６にそれぞれ電界を印加して並行光導波路１０４、１０６間の屈折率差を制御するための制御電極であるバイアス電極１５０が配置されている。バイアス電極１５０は、並行光導波路１０４、１０６の直上部に、それぞれ、当該並行光導波路１０４、１０６に沿って配置された動作電極１５２、１５４と、当該動作電極１５２、１５４のそれぞれから所定の離間距離だけ離れて当該動作電極１５２、１５４を挟むように設けられた基準電極１６０、１６２、１６４とで構成されている。基準電極１６０、１６２、１６４には、基準となる電位が印加され、動作電極１５２、１５４には、当該基準となる電位に対する正電圧又は負電圧が印加される。

バイアス電極１５０は、いわゆるＤＣドリフト現象や温度ドリフト現象による光変調特性の変動を補償する。すなわち、上記ドリフト現象により、ＲＦ電極１０８、１１０を用いた光変調動作において光出力対電圧特性に変動（電圧シフト）が生じた場合に、基準電極１６０、１６２、１６４と動作電極１５２、１５４との間に電圧を印加することで、並行光導波路１０４、１０６の間に屈折率差を発生させ、上記電圧シフト量を補償する。

特に、本実施形態の光変調素子１０では、高周波信号線路を構成するＲＦ電極１０８、１１０及び当該ＲＦ電極１０８、１１０に離間して配される接地電極１１２、１１４、１１６の素材として銅（Ｃｕ）を用いている。これにより、光変調素子１０では、ＲＦ電極１０８、１１０及び接地電極１１２、１１４、１１６を構成する銅の導電率が、従来技術に用いられている金（Ａｕ）に比べて高いため、ＲＦ電極１０８等が構成する高周波信号線路の導体損失が効果的に低減される。この導体損失の低減により、ＲＦ電極１０８等が構成する信号線路における高周波伝搬損失と特性インピーダンスとのトレードオフの制約を軽減して（すなわち、当該信号線路を構成するＲＦ電極１０８、１１０及び接地電極１１２、１１４、１１６の設計自由度を向上して）、所望の特性インピーダンスにて更なる広帯域化を図ることが容易となる。

また、特に、本実施形態の光変調素子１０では、バイアス電極１５０を構成する基準電極１６０、１６２、１６４及び動作電極１５２、１５４については、信号線路を構成するＲＦ電極１０８等とは異なり、金（Ａｕ）を用いて構成する。

一般に、バイアス電極１５０の基準電極１６０、１６２、１６４と動作電極１５２、１５４との間に印加される電界は、５．０×１０^５Ｖ／ｍ程度と大きく、最大４．０×１０^６Ｖ／ｍ程度となる可能性も有している。このような場合、バイアス電極１５０を構成するこれらの電極を銅（Ｃｕ）で形成すると、いずれか低電位側の電極から、基板１００の表面を伝って（本実施形態では非導電層１２０の表面を伝って）銅イオンが移動し、いわゆるエレクトロマイグレーションが発生し得る。このようなエレクトロマイグレーションが発生すると、移動した銅イオンは基板１００又は非導電層１２０の表面で銅を次々と析出させ、低電位側電極と高電位側電極との間に当該析出した銅による短絡路を形成することとなり得る。

このため、本実施形態の光変調素子１０では、バイアス電極１５０を構成する基準電極１６０、１６２、１６４及び動作電極１５２、１５４については、高周波信号線路を構成するＲＦ電極１０８等に用いる銅（Ｃｕ）ではなく、経年的により安定でエレクトロマイグレーションの発生し難い金（Ａｕ）を用いて構成している。

以上の構成により、光変調素子１０は、高周波信号線路を構成するＲＦ電極１０８、１１０及び接地電極１１２、１１４、１１６の設計自由度を向上して、所望の特性インピーダンスにおける更なる広帯域化を可能としつつ、銅マイグレーションの可能性を低減して高信頼性を確保することができる。

なお、本実施形態では、信号線路を構成するＲＦ電極１０８、１１０及び接地電極１１２、１１４、１１６が銅（Ｃｕ）で構成されるものとしたが、これに限らず、銅合金で構成されるものとしても良い。銅合金としては、例えば、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｃｕ合金、Ｂｅ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金を用いることができる。

また、信号線路を構成するＲＦ電極１０８、１１０及び接地電極１１２、１１４、１１６は、必ずしもそのそれぞれの全体が銅（Ｃｕ）で構成されている必要はなく、そのそれぞれが、少なくとも銅（Ｃｕ）又は銅合金で構成される導電層を含んでいればよい。

また、本実施形態では、バイアス電極１５０を構成する基準電極１６０、１６２、１６４及び動作電極１５２、１５４は、金（Ａｕ）で構成されるものしたが、これに限らず、エレクトロマイグレーションを発生するような銅（Ｃｕ）又は銅合金で構成される導電層を含まない限りにおいて、任意の金属（例えば、銀（Ａｇ））を用いて構成するものとすることができる。

また、ＲＦ電極１０８等を構成する銅に対してワイヤボンディング（例えば、金ワイヤのボンディング）を行う場合には、ボンディング強度を実用的な水準で実現することが困難となり得るので、銅（Ｃｕ）又は銅合金で構成される導電層を含んだ、信号線路を構成するＲＦ電極１０８、１１０及び接地電極１１２、１１４、１１６の上部表面の一部に、金（Ａｕ）で構成される表面層を設けるものとしてもよい。これにより、当該表面層を用いて信頼性の高いワイヤボンディングを行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、一例としてＬＮ基板である基板１００上に構成される光変調素子１０を示したが、本実施形態において説明したＲＦ電極１０８等やバイアス電極１５０の構成は、ＬＮ基板を用いる光変調素子に限らず、電気光学効果を有する他の材料（例えば、ＬｉＴａＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＢｉ_２ Ｔａ_２ Ｏ_９、ＢａＴｉＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４、ＰＬＺＴ）を基板として用いる光変調素子や、電流注入により光導波路の屈折率を制御して光変調を行う半導体基板を用いた光変調素子にも、同様に適用するができる。

１０・・・光変調素子、１００・・・基板、１０２・・・ＭＺ型光導波路、１０４、１０６・・・並行光導波路、１０８、１１０・・・ＲＦ電極、１１２、１１４、１１６・・・接地電極、１２０・・・非導電層、１５０・・・バイアス電極、１５２、１５４・・・動作電極、１６０、１６２、１６４・・・基準電極。

Claims (2)

1. 基板に形成された光導波路と制御電極とを含み、当該制御電極に通電することにより前記光導波路内を伝搬する光波を制御して光変調を行う光変調素子であって、
   前記制御電極は、高周波信号が伝搬する信号線路を構成する高周波電極と、バイアス電圧が印加されるバイアス電極と、で構成され、
   前記高周波電極と前記バイアス電極とは、前記光導波路の長さ方向に沿って並べて形成されており、
   前記高周波電極は銅又は銅合金で構成される導電層を有し、
   前記高周波電極の上部表面の一部に、金（Ａｕ）で構成される表面層が形成され、
   前記バイアス電極は、前記高周波電極とは異なる材料を用いて構成される、
   光変調素子。
2. 前記バイアス電極は、銅又は銅合金で構成される導電層を含まない、
   請求項１に記載の光変調素子。

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