JP3570735B2

JP3570735B2 - 光導波路デバイス

Info

Publication number: JP3570735B2
Application number: JP02235693A
Authority: JP
Inventors: 菅又徹; 箕輪純一郎; 下津臣一
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JPH06235891A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光通信用の超高速の外部変調器、スイッチ、電界センサに利用する光導波路デバイスに関する。特に、チャーピングを抑制でき、低駆動電圧を容易にできる光導波路デバイスの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、高速光通信システムにおいて、例えば１．６ＧＨｚの周波数までのシステムでは、レーザダイオードを直接変調させる方式を用いている。そこで、変調周波数がより高くなってくると、レーザダイオードの出力光の波長が、時間的に微小変動するチャーピング現象が目だってくる。これが、光ファイバーの分散特性により長距離通信の限界となっていた。これに対して、レーザダイオードを、一定の出力光にし、外部に変調器を設置する外部変調方式が本質的にチャーピングを少なくでき、超高速長距離光通信に向いていると考えられ、多くの実験が行なわれるようになってきた。ＬｉＮｂＯ_３基板にマッハ・ツェンダ型の導波路を形成した外部変調器は、その代表例である。
【０００３】
然し、本質的にチャーピングの少ない外部変調器であっても、僅かながらチャーピングがあり、超高速長距離通信システムに用いるためには、チャーピングの少ない外部変調器が望まれている。また同時に超高速の電気信号を光信号に変換するため、より駆動電圧の低い外部変調器が望まれている。
【０００４】
また、高速の光変調方式としては、先にも述べたように、レーザダイオードの直接変調の他に、レーザ光を外部で変調する外部変調方式が知られる。特に、電気光学効果を持つ基板、例えばＬｉＮｂＯ_３にＴｉを熱拡散させ、分岐光導波路を形成したマッハ・ツェンダ型光変調器が外部変調器として良く知られる。図１は、マッハ・ツェンダ型光変調器の例を示す。光導波路４は、分岐導波路２、３に一度分岐し、各々の導波路上に信号電極５と接地電極６が設けられる。そして、超高速で変調を行なう場合には、電極はメッキ等により厚く形成され、進行波電極として取り扱う。電極と導波路の間には、電極による導波路の吸収を抑えるため、ＳｉＯ_２などのバッファー層が設けられる。分岐導波路２、３を伝搬した光波は、合波して光導波路４に結合するようになっている。光導波路中を伝搬した光波は、信号電極５に印加されたマイクロ波の電界（図２参照）により各々の分岐導波路２、３を伝搬する光波の位相が変化し、導波路４において合波することにより強度変調が行なえるようになっている。
【０００５】
通常、この種の変調器に印加する電気信号は、マイクロ波帯の高周波信号を使用するのは普通であり、このような高周波で電気的な安定性をとるため接地電極６が図示のように信号電極５より十分に大きくなっている。信号電極５の幅は、導波路中を伝搬する光波の電界分布と、電気信号の電気力線との相互作用を効率良く行なうため、導波路の幅とほぼ同じにする。
このような変調器では、前記のように、また、図２、３に示すように、信号電極５と接地電極６の大きさが異なるため、基板１内に電気信号により形成される電気力線は、図２の７で示すように、分岐導波路２、３に対して非対称になっている。このように、各々の分岐導波路にかかる電気力線が非対称であると、各々の分岐導波路２、３での変調効率が等しくなくなり、変調効率の非対称性に起因するチャーピングが発生する。また、接地電極下の電気力線は、導波光の電界分布に比べ広がってしまうため、変調効率が低くなり、変調器の駆動電圧が高くなってしまう。
【０００６】
そこで、図５に示すように、分岐導波路２、３の各々の真上に各々信号電極５を設置し、各々の外側に接地電極６を配した構造が提案されている（特開平２−１９６２１２号）。このような構造にすれば、変調効率の非対称性に起因するチャーピングは少なくなり、また導波光と光導波路にかかる電気力線との相互作用も改善され、変調器の駆動電圧を低く抑えることができる。
然し乍ら、このように信号電極を２本或いはそれ以上にすると、各々の光導波路のための信号電極に印加するマイクロ波信号を各々逆電位にし、且つ、信号発生タイミングを極めて高い精度で制御する必要があり、実際上大変困難であり、変調器の駆動系が非常に複雑になる等の問題点がある。
【０００７】
また、図２に示すような従来の電極構成では、分岐導波路２、３に対して、電気力線７が非対称になり、各々の導波路における変調効率が異なり、チャーピングが大きくなってしまうという問題があった。更に、接地電極下の導波路における変調効率が低く、駆動電圧が高くなってしまう問題もあった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、前記のような、従来の光導波路デバイスにおける、特に非常に高い周波数帯域でのチャーピング発生を抑制し、同時に、変調効率の低下を防止でき、駆動電圧の抑制が可能な光導波路デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、そのようなチャーピングの抑制が、電極構造を複雑にしないで、また駆動系の複雑化を避けて、容易に達成できる光導波路デバイスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、前記のような、上記の技術的課題の解決のために成されたもので、電気光学効果を有する基板の上に、形成された分岐導波路と導波光を制御する信号電極および接地電極からなる光導波路デバイスであって、前記信号電極および接地電極の間の中心線と前記分岐導波路の中心線とが、該基板の中心線と一致するように配置され、且つ、該分岐導波路が、該中心線に対して対称に配置され、基板の形状も、該中心線に対して対称な形状であり、前記信号電極に電気信号を与えることにより生じる前記基板内における電気力線が、該中心線に対して、対称に生じるように、前記接地電極の底面の一部と基板の相当部分の間にギャップを設けたことを特徴とする前記光導波路デバイスを提供する。
前記ギャップは、誘導体で構成されているものが好適である。また、前記ギャップは、空気で構成されてものが好適である。
【００１０】
【作用】
本発明によるＬｉＮｂＯ_３光導波路素子デバイスでは、光導波路の接地電極に、図３、４に示すように接地電極の底面の一部と基板の相当部分の間にギャップを持たせた構造にする。すると、接地電極に生じる電界は、接地電極下のギャップ部分の誘電率が、基板ＬｉＮｂＯ_３に比べて非常に小さいものになるので、導波路真上にある電極部に集中する。従って、基板（１）内における電気力線が分岐導波路（２、３）上に関して対称になり、各々の導波路における変調効率が等しくなり、変調効率の非対称性に基づくチャーピングが無くなる。また、接地電極の大きさは、従来と変わらず、マイクロ波等の高周波でも従来と同様に電気的に安定に使用することができる。
【００１１】
また、更に従来では、接地電極下での変調効率が低かったが、本発明の構造の電極により、接地電極下であっても、電気力線と光導波路を伝搬する光波との相互作用が効率的に行なうことができ、より駆動電圧の低い変調器を実現することができる。また、本発明の構成の光導波路デバイスでは、信号電極を２本或いはそれ以上にする必要性はなく、従って、駆動系が複雑になるなどの問題点もない。以上のように、本発明の光導波路デバイスでは、駆動系を複雑にすることなしに、駆動電圧をより低くでき、且つチャーピングを抑えた光変調器を提供することができる。
【００１２】
次に、本発明を具体的に実施例により説明するが、本発明はそれらによって限定されるものではない。
【００１３】
【実施例１】
図３は、本発明による光導波路デバイスを、マッハ・ツェンダ型光変調器を例にして、説明するための断面図である。
即ち、図３のａに示すように、電気光学効果を有する基板：ＬｉＮｂＯ_３基板１の上に、形成された分岐導波路２を形成し、その上に導波光を制御する信号電極５を形成し、そして、接地電極６を形成した光導波路デバイスで、その接地電極６の底面の一部：即ち、信号電極５と反対側の一部と基板の相当部分の間にギャップ８を設けた構造である。即ち、接地電極６の基板と接する部分の面積或いは幅が、信号電極５の面積或いは幅とほとんど同じになるようにすると、図示のように電気力線７が、対称形に形成され、導波路２中での変調効率が等しくなり、チャーピングを抑制することができる。
【００１４】
図３のｂでは、基体の中心線に関して非対称であるので、本発明の範囲ではない。
【００１５】
この光導波路は、ＺーカットのＬｉＮｂＯ_３基板１に、フォトプロセスにより金属Ｔｉを、厚、約８００Å、幅７μｍでパターン（２’、３’）蒸着し（図６の１）、リフトオフした後、約１０００℃、２０時間空気中で、熱拡散させることにより、直線導波路及び光導波路２、３を形成している（図６の２）。
この後、電極による光の吸収損失を防ぐために、ＳｉＯ_２バッファー層１０を０．１〜１．０μｍ成膜した（図６の３）。ここで、接地電極の一部の底部分に、ギャップ８を形成するため、フォトレジストにより図６の４に示すようにパターン１１形成し、この上からＳｉＯ_２を１〜４μｍ成膜（１２）した（図６の５）。この後、リフトオフを行ない、接地電極部分のギャップ部分（１２）だけを残し（図６の６）、図示にはないが、電極形成のために、全面にＴｉ、Ａｕの順に蒸着した後、再びフォトプロセスにより電極（１３）のパターン形成を行なった（図６の７）。このとき、信号電極５の幅は、約７μｍで、接地電極６と信号電極５の間隔は１５μｍである。
【００１６】
ここで、従来からある電気メッキ法により信号電極５及び接地電極６の厚は、少なくとも１０μｍになるように形成した（図６の８）。このような光導波路の構造の作成により、接地電極６下にＳｉＯ_２によるギャップ８（１２）を１〜４μｍ幅に作ることができる。以上、図３のａに示す構造の光導波路デバイスを作製したものである。
【００１７】
【実施例２】
図４は他の本発明の実施例を示す断面図である。即ち、図６に示すような作成方法において、ＳｉＯ_２の代わりに、ＭｇＯを０．１〜１μｍ蒸着した構造の電極を製作した。そして、前記のように、図６で説明した工程で作製した後、酢酸で、ＭｇＯをエッチング除去して、図４に示すようなエアギャップ（ギャップ間隔０．１〜１μｍ）を有する光導波路デバイスを作製した。即ち、図４に示すように、電気光学効果を有する基板：ＬｉＮｂＯ_３基板１の上に、形成された分岐導波路２を形成し、その上に導波光を制御する信号電極５を形成し、そして、接地電極６を形成した光導波路デバイスで、その接地電極６の底面の一部：即ち、信号電極５と反対側の一部と基板の相当部分の間に空気ギャップ８を設けた構造である。
【００１８】
以上の実施例１、２の構造の光導波路デバイスをケ−スに固定し、信号電極と接地電極を各々配線し、光の入出力のためのファイバーを取り付け、光導波路モジュールを完成することができる。このモジュールの入射ファイバー側に、例えば１．５５μｍのＤＦＢレーザ光を接続し、レーザ光の出力強度は一定にしておく。ここで、信号電極に例えば高周波である１０Ｇｂｉｔ／秒のデジタル信号を印加すると、この電気信号によりＬｉＮｂＯ_３基板１内に電界が発生する。この電界の状態を分かり易く電気力線で図３、４に示した。従来の図２、５と較べると、接地電極下において導波路真上の電極に電気力線が集中し、分岐導波路２、３に関して、その分布が対称になる。
【００１９】
このため従来の接地電極下での変調効率が低くなっていたものが、改善され駆動電圧のより低い変調器を実現することができる。また、各々の分岐導波路における変調効率の非対称性に基づくチャーピングも、この構成をとることにより改善されることが分かる。一方、接地電極は信号電極に比べて従来通り十分大きくとることができるので、高周波でも電気的に安定して使用することができる。
【００２０】
以上の実施例では、マッハ・ツェンダ型光変調器を用いて説明したが、光スイッチ等にも、同様に、利用することができることは、明らかである。また、基板材料としては、ＬｉＮｂＯ_３結晶の他にＬｉＴａＯ_３やＰＬＺＴなどの電気光学効果を有するものならば、どれでも使用できることは言うまでもない。また、ＰＬＺＴ等、光導波路を形成することができる材料すべてに対しても利用することができる。また、実施例で説明した製作工程は、一例であって、本発明の目的にかなうものであれば、使用する材料、構成、製作過程など種々組合わせたり、異なるものを用いても良い。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路デバイスの構造により、次のような顕著な技術的効果が得られた。
第１に、光変調器の駆動系を複雑にすることなく、駆動電圧をより低くし且つチャーピングを抑制した光導波路デバイスを提供することができる。
第２に、従って、光ファイバーを用いた超高速長距離通信を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマッハ・ツェンダ型変調器の１例の構造を示す平面図である。
【図２】従来のマッハ・ツェンダ型変調器の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の光導波路デバイスの構造の具体例を示す断面図である。
【図４】本発明の光導波路デバイスの構造の他の具体例を示す断面図である。
【図５】従来のマッハ・ツェンダ型変調器の例を示す断面図である。
【図６】本発明の光導波路デバイスの製作過程を各々の工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
１ＬｉＮｂＯ_３基板
２、３分岐光導波路
５制御電極
６接地電極
７電気力線
８ギャップ

Claims

電気光学効果を有する基板の上に、形成された分岐導波路と導波光を制御する信号電極および接地電極からなる光導波路デバイスであって、
前記信号電極および接地電極の間の中心線と前記分岐導波路の中心線とが、該基板の中心線と一致するように配置され、且つ、該分岐導波路が、該中心線に対して対称に配置され、基板の形状も、該中心線に対して対称な形状であり、前記信号電極に電気信号を与えることにより生じる前記基板内における電気力線が、該中心線に対して、対称に生じるように、前記接地電極の底面の一部と基板の相当部分の間にギャップを設けたことを特徴とする前記光導波路デバイス。
前記ギャップは、誘導体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の前記光導波路デバイス。
前記ギャップは、空気で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の前記光導波路デバイス。