JP4376795B2

JP4376795B2 - 導波路型光変調器

Info

Publication number: JP4376795B2
Application number: JP2004569917A
Authority: JP
Inventors: 昌樹杉山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JPWO2004086126A1; WO2004086126A1

Description

本発明は、光源から出力された光を強度（パワー）変調する導波路型光変調器に関する。

従来、光ファイバ通信システムに使用される光送信機においては、レーザダイオードに流れる電流をデータ信号により変調する直接変調方式が採用されていた。しかし、直接変調方式では、光ファイバ内で生じる波長分散により、伝送速度が高くなるのに従って出力される光信号の動的波長変動（チャーピング）の影響が大きくなるので、長距離伝送が困難となってきた。

このような事情に鑑み、原理的にチャーピングが生じにくい外部変調器を光源からのＣＷ（連続波）光に作用させるようにした光送信機が実用に供されている。この種の外部変調器として、導波路基板上に予め定められたパターンの光導波路を形成することでマッハツェンダ干渉計を構成し、それに電界をかけるための電極を設けてなる導波路型光変調器が知られている。

この導波路型光変調器は、入力ポートを提供する第１のＹ分岐光導波路と、出力ポートを提供する第２のＹ分岐光導波路と、第１及び第２のＹ分岐光導波路間を接続する第１及び第２の光導波路と、第１及び第２の光導波路上にそれぞれ設けられた第１及び第２の信号電極と、第１及び第２の信号電極との間に電位差を与えられ第１及び第２の信号電極と共に第１及び第２の光導波路に電界を与えるための接地電極とを備えている。

第１のＹ分岐光導波路でパワーを２等分された光が第１及び第２の光導波路を伝搬し、第２のＹ分岐光導波路で同相（位相差が２ｎπ（ｎは整数））で合流すると光出力はオンになり、逆相（位相差が（２ｎ＋１）π）で合流すると光出力はオフになるから、各電極に与える電圧を入力信号に従って変化させることによって、チャーピングが少ない強度変調が可能になる。

図１Ａ及び１Ｂを参照すると、ＺカットＬｉＮｂＯ_３基板を用いて構成される従来の導波路型光変調器の平面図及びｂ−ｂ断面図が示されている。この光変調器は、入力ポート２を提供するＹ分岐光導波路４と、出力ポート６を提供するＹ分岐光導波路８と、Ｙ分岐光導波路４及び８を接続する光導波路１０及び１２とを導波路基板１４上に形成して構成されている。製造プロセスをふまえて、詳細な構造及び動作原理を説明しておく。

例えば、ＬｉＮｂＯ_３からなる導波路基板１４上に導波路４，８，１０及び１２と同じ形状にＴｉをパターニングした状態で１０５０℃で７〜１０時間加熱して熱拡散させることにより屈折率の高い導波路４，８，１０及び１２が形成される。ＬｉＮｂＯ_３がＺカットである場合には、厚み方向であるＺ方向に強い電界が必要なので、光導波路１０及び１２の真上にそれぞれ信号電極１６及び接地電極１８がパターニングされる。この場合、光導波路１０及び１２を伝搬する光が電極１６及び１８に吸収されることを防止するために、各導波路４，８，１０及び１２上に透明なバッファ層２０としてＳｉＯ_２が０．２〜１．０μｍの厚みで成膜され、その上に３〜２０μｍ厚のＡｕからなる電極１６及び１８が形成される。

この光変調器を駆動するには、図１Ａに示されるように、信号電極１０と接地電極１２の終端を抵抗Ｒで接続して進行波型電極とし、一端から数ＧＨｚ〜１００ＧＨｚといったマイクロ波の入力信号Ｖを印加して、両電極１６及び１８間に電界２２を発生させると、光導波路１６及び１８の屈折率が＋Δｎ及び−Δｎのように変化するので、波長λの入力光が入力信号Ｖによってオン・オフ変調された状態で出力ポート６から出力される。
特開平５−２１００７２号公報特開平７−２６１１３５号公報特許第２７２５３４１号公報特開平５−１４２５０４号公報

このような進行波型電極を有する光変調器においては、導波路基板がマイクロ波の共振箱として作用することがあり、特定の周波数帯域のマイクロ波が共振して周波数応答特性が劣化することがある。即ち、例えば図２に示されるように、光変調器の入力から出力に至る透過損失と周波数との関係を表すグラフにおいて、周波数応答特性にディップが生じたりするものである。

図１Ａ及び１Ｂに示されるような信号電極及び接地電極を一組だけ有するシングルドライブ型の光変調器では、接地電極の幅を狭くしてチップの表面に電極が無い部分を設けることにより周波数応答特性におけるディップを抑制することができる。しかしながら、後述するような信号電極を２組有するデュアルドライブ型の光変調器ではシングルドライブ型での対処法を採用することができずに、周波数応答特性におけるディップを抑圧することができないという問題があった。

本発明の目的は、信号電極を２組有するデュアルドライブ型の光変調器において周波数応答特性のディップを有効に抑圧し得る構造の導波路型光変調器を提供することである。

本発明の他の目的は以下の説明から明らかになる。

本発明によると、入力ポートを提供する第１のＹ分岐光導波路と、出力ポートを提供する第２のＹ分岐光導波路と、前記第１及び第２のＹ分岐光導波路間を接続する第１及び第２の光導波路と、前記第１及び第２の光導波路上にそれぞれ設けられた第１及び第２の信号電極と、前記第１及び第２の信号電極との間に電位差を与えられ前記第１及び第２の信号電極と共に前記第１及び第２の光導波路に電界を与えるための接地電極とを備え、前記接地電極は、前記第１及び第２の光導波路の間に設けられる中央接地電極と、前記中央電極以外であり前記第１と第２の信号電極の外側に形成された第１及び第２の接地電極と、を備え、前記中央接地電極は開口を有している導波路型光変調器が提供される。

本発明によれば、周波数応答特性におけるディップを効果的に抑制することができるデュアルドライブ型の導波路型光変調器の提供が可能になるという効果が生じる。

以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。本発明の実施形態を説明するのに先立ち、本発明の有用性を理解する上で有用と思われる従来技術に関して説明する。

図３を参照すると、従来のデュアルドライブ型の光変調器の平面図が示されている。導波路基板１４上にＹ分岐光導波路４及び８並びに光導波路１０及び１２が形成されているのは図１Ａ及び１Ｂに示されているものと同じである。光導波路１０及び１２上にはそれぞれ信号電極１６１及び１６２が進行波型に設けられている。また、信号電極１６１及び１６２の両側には接地電極１８１及び１８２が形成されており、信号電極１６１及び１６２の間には中央接地電極１８３が形成されている。

信号電極１６１及び１６２のそれぞれの一端には互いに逆相のマイクロ波の信号が印加され、それぞれの他端は図示しない終端抵抗により終端されているので、効率的な２値変調が可能になる。しかしながら、シングルドライブ型の光変調器では、接地電極の幅を狭くしてチップの表面に電極が無い部分を設けることにより周波数応答特性におけるディップを抑制することができるのに対して、図３に示されるようなデュアルドライブ型の光変調器では、このような非対称な構造を両方の光導波路１０及び１２に採用することができないので、周波数応答特性におけるディップを効果的に抑制することができない。

図４は本発明による導波路型光変調器の第１実施形態を示す平面図である。ここで、導波路基板１４上にＹ分岐光導波路４及び８並びに光導波路１０及び１２が形成され、光導波路１０及び１２上にそれぞれ信号電極１６１及び１６２が進行波型に設けられている点は図３に示されるものと同じである。

この実施形態では、本願発明で特徴となる中央接地電極の構成を得るために、次のようにして各電極が配置されている。即ち、信号電極１６１を挟むように接地電極１８４及び１８５が設けられ、信号電極１６２を挟むように接地電極１８６及び１８７が設けられている。信号電極１６１及び１６２の間に位置する接地電極１８５及び１８７の間には電極の形成されていない隙間２４がある。従って、接地電極１８５及び１８７が中央接地電極に相当し、隙間２４が中央電極の開口に相当している。

このように信号電極１６１及び１６２の間に位置する中央接地電極を二つの接地電極１８５及び１８６から構成してこれらの間に隙間２４（開口）を設けることによって、マイクロ波共振箱としても作用する導波路基板１４の特性が図３に示される従来技術のものと異なるようになり、周波数応答特性におけるディップを効果的に抑制することができる。

この導波路型光変調器の製造方法について説明する。導波路基板１４は、例えば、大きさが４０ｍｍ×２ｍｍで厚みが１ｍｍのＬｉＮｂＯ_３の表面を鏡面研磨することによって提供される。導波路基板１４上には約１００ｎｍの厚みでＴｉが真空蒸着され、導波路に相当する部分が残るように通常のフォトエッチング法で処理され、約１０５０℃で１０時間加熱してＴｉをＬｉＮｂＯ_３中に熱拡散させることで、Ｙ分岐光導波路４及び８並びに光導波路１０及び１２が形成される。

次いでＳｉＯ_２からなるバッファ層が例えば５００ｎｍの厚みで真空蒸着され、その上に例えば厚み１５０ｎｍのＡｕを金属下地層として蒸着する。しかる後、電極形成領域を残してそれ以外の部分の金属下地層をフォトエッチング法により除去する。

このように処理された導波路基板１４上に、形成すべき電極と同じ厚みでレジストをスピンコートし、通常のフォトリソグラフ法によって電極形成領域以外の領域にレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンが形成されていない金属下地層の上に例えばレジストパターンの上面に一致する程度の厚みでＡｕメッキを施し、信号電極１６１及び１６２並びに接地電極１８４〜１８７を形成する。

図５は本発明による導波路型光変調器の第２実施形態を示す平面図である。ここでは、光導波路１０及び１２間の間隔が比較的に大きく、それに伴い光導波路１０及び１２は互いに平行な部分とこれらをＹ分岐光導波路４及び６に接続する湾曲した部分とからなる。

光導波路１０及び１２上にそれぞれ形成される信号電極１６３及び１６４は、この実施形態では、光導波路１０及び１２の互いに平行な部分だけでなく湾曲した部分の上にも形成されており、これにより導波路基板１４の長さを短くすることができる。

信号電極１６３及び１６４の両側にはそれぞれ接地電極１８８及び１８９が形成され、信号電極１６３及び１６４の間には中央接地電極１９０が形成されている。そして、中央接地電極１９０は本発明において特徴的な開口２６を有している。

この実施形態によっても、マイクロ波共振箱としても作用する導波路基板１４の特性が図３に示される従来技術のものと異なるようになり、周波数応答特性におけるディップを効果的に抑制することができる。

図６は本発明による導波路型光変調器の第３実施形態を示す平面図である。導波路基板１４上にはＹ分岐光導波路４及び８並びに光導波路１０及び１２が形成されており、これらに電界を印加するために信号電極１６５及び１６６並びに接地電極１９１及び１９２並びに中央接地電極１９３が形成されている。中央接地電極１９３には開口２６が設けられている。

この実施形態では、信号電極１６５及び１６６に関連するマイクロ波回路の電気的配線を容易にするために、信号電極１６５の両端１６５Ａ及び１６５Ｂは導波路基板１４の両側部に露出しており、信号電極１６６の両端１６６Ａ及び１６６Ｂは信号電極１６５の一端１６５Ｂが露出している側に露出している。この場合、信号電極１６５及び１６６の形状が非対称となり、マイクロ波の遅延が懸念されるので、これを回避するために、この実施形態では、一方の信号電極１６６の一端１６６Ｂの近傍に遅延部１６６Ｃが形成されている。変調のためのマイクロ波は進行波型に形成された信号電極１６５及び１６６にそれぞれ端１６５Ｂ及び１６６Ｂから供給される。

また、接地電極１９１〜１９３は、光導波路１０を挟むように設けられた第１及び第２の部分Ｗ１及びＷ２と光導波路１２を挟むように設けられた第３及び第４の部分Ｗ３及びＷ４とを含み、これらの幅は概ね等しく設定される。これにより信号電極１６５及び１６６を伝搬するマイクロ波のモードが安定し、周波数応答特性におけるディップを効果的に抑制することができる。

尚、本発明を実施する場合、第１及び第２実施形態のように、第１及び第２の信号電極並びに接地電極を導波路基板の光伝搬方向の中心線に対して概ね対称に設けることによって、周波数応答特性におけるディップを更に効果的に抑制することができる。

また、接地電極の開口を横断する断面において電極が付着していない部分が導波路基板の幅の１／３以上になるようにすることによって、周波数応答特性におけるディップを更に効果的に抑制することができる。

図７は本発明の実施形態における導波路型光変調器の透過損失と周波数の関係を示すグラフである。図２に示される特性との対比において、周波数応答特性におけるディップが効果的に抑制されていることが明らかである。

以上詳述したように、本発明によると、周波数応答特性におけるディップを効果的に抑制することができるデュアルドライブ型の導波路型光変調器の提供が可能になるという効果が生じる。

図１は従来のシングルドライブ型光変調器の平面図及び断面図である。図２は図１に示される光変調器の透過損失と周波数の関係を表すグラフである。図３は従来のデュアルドライブ型光変調器の平面図である。図４は本発明による光変調器の第１実施形態を示す平面図である。図５は本発明による光変調器の第２実施形態を示す平面図である。図６は本発明による光変調器の第３実施形態を示す平面図である。図７は本発明の実施形態における光変調器の透過損失と周波数の関係を示すグラフである。

Claims

入力ポートを提供する第１のＹ分岐光導波路と、
出力ポートを提供する第２のＹ分岐光導波路と、
前記第１及び第２のＹ分岐光導波路間を接続する第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路上にそれぞれ設けられた第１及び第２の信号電極と、
前記第１及び第２の信号電極との間に電位差を与えられ前記第１及び第２の信号電極と共に前記第１及び第２の光導波路に電界を与えるための接地電極とを備え、
前記接地電極は、前記第１及び第２の光導波路の間に設けられる中央接地電極と、前記中央接地電極以外であり前記第１と第２の信号電極の外側に形成された第１及び第２の接地電極と、を備え、
前記中央接地電極は開口を有している導波路型光変調器。
前記第１及び第２のＹ分岐光導波路並びに前記第１及び第２の光導波路は導波路基板の表面又は表面近傍に形成されている請求項１記載の導波路型光変調器。
入力ポートを提供する第１のＹ分岐光導波路と、
出力ポートを提供する第２のＹ分岐光導波路と、
前記第１及び第２のＹ分岐光導波路間を接続する第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路上にそれぞれ設けられた第１及び第２の信号電極と、
前記第１及び第２の信号電極との間に電位差を与えられ前記第１及び第２の信号電極と共に前記第１及び第２の光導波路に電界を与えるための接地電極とを備え、
前記接地電極は前記第１及び第２の光導波路の間に設けられる中央接地電極を含み、
前記中央接地電極は開口を有し、
前記第１及び第２のＹ分岐光導波路並びに前記第１及び第２の光導波路は導波路基板の表面又は表面近傍に形成され、
前記第１及び第２の信号電極並びに前記接地電極は前記導波路基板の光伝搬方向の中心線に対して概ね対称に設けられている導波路型光変調器。
前記接地電極の開口を横断する断面において電極が付着していない部分が前記導波路基板の幅の１／３以上である請求項２記載の導波路型光変調器。
入力ポートを提供する第１のＹ分岐光導波路と、
出力ポートを提供する第２のＹ分岐光導波路と、
前記第１及び第２のＹ分岐光導波路間を接続する第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路上にそれぞれ設けられた第１及び第２の信号電極と、
前記第１及び第２の信号電極との間に電位差を与えられ前記第１及び第２の信号電極と共に前記第１及び第２の光導波路に電界を与えるための接地電極とを備え、
前記接地電極は前記第１及び第２の光導波路の間に設けられる中央接地電極を含み、
前記中央接地電極は開口を有し、
前記第１及び第２のＹ分岐光導波路並びに前記第１及び第２の光導波路は導波路基板の表面又は表面近傍に形成され、
前記第１の信号電極の一端及びこれに対応する前記第２の信号電極の一端は前記導波路基板の両側部に露出しており、
前記第１の信号電極の他端及びこれに対応する前記第２の信号電極の他端は前記導波路基板の一方の側部に露出している導波路型光変調器。
前記第１及び第２の信号電極の一方は、前記第１及び第２の信号電極を進行するマイクロ波の遅延を補償するための遅延部を含む請求項５記載の導波路型光変調器。
入力ポートを提供する第１のＹ分岐光導波路と、
出力ポートを提供する第２のＹ分岐光導波路と、
前記第１及び第２のＹ分岐光導波路間を接続する第１及び第２の光導波路と、
前記第１及び第２の光導波路上にそれぞれ設けられた第１及び第２の信号電極と、
前記第１及び第２の信号電極との間に電位差を与えられ前記第１及び第２の信号電極と共に前記第１及び第２の光導波路に電界を与えるための接地電極とを備え、
前記接地電極は前記第１及び第２の光導波路の間に設けられる中央接地電極を含み、
前記中央接地電極は開口を有し、
前記接地電極は、前記第１の光導波路を挟むように設けられた第１及び第２の部分と前記第２の光導波路を挟むように設けられた第３及び第４の部分とを含み、
前記第１乃至第４の部分は概ね同じ幅を有している導波路型光変調器。