JP2022013232A - 光デバイス及び光通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】変調帯域を広帯域化すること。【解決手段】光デバイスは、接地電位の接地電極と、前記接地電極に積層される薄膜基板によって形成される薄膜光導波路と、前記薄膜光導波路を挟んで前記接地電極と対向する位置に配置され、高周波信号を伝送する信号電極と、前記信号電極の露出する表面の少なくとも一部を被覆する誘電体とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、光デバイス及び光通信装置に関する。
一般に、例えば光変調器のような光デバイスは、表面に光導波路が形成された光変調器チップを備えることがある。光変調器チップの光導波路上には信号電極が配置され、信号電極に電圧が印加されると、光変調器チップの表面に対して垂直方向の電界が光導波路内に発生する。この電界によって光導波路の屈折率が変化するため、光導波路を伝搬する光の位相が変化し、光を変調することが可能となる。すなわち、光変調器チップの光導波路は、例えばマッハツェンダ干渉計を構成し、平行に配置された複数の光導波路間の光の位相差により、例えばＸＹ偏波多重されるＩＱ信号を出力することができる。
光変調器チップが高速変調を実行する際には、光導波路に沿って配置される信号電極に例えば数１０ＧＨｚの帯域を有する高速信号が入力される。このため、信号電極には、広帯域の伝送特性を得ることができるコプレーナ構造が採用されることがある。すなわち、光導波路の上方には、信号電極と信号電極を挟む一対の接地電極とが配置されることがある。
一方、光導波路は、例えばチタン等の金属を基板表面から拡散することにより、信号電極と重なる位置に形成されることがある。また、ＬＮ（Lithium Niobate：ニオブ酸リチウム）結晶の薄膜を用いた薄膜光導波路が信号電極と重なる位置に形成されることがある。薄膜光導波路は、金属を拡散させる拡散光導波路よりも光の閉じ込めを強くすることができ、電界の印加効率を改善し、駆動電圧を低減することができる。
図８は、薄膜光導波路の具体例を示す断面図である。図８に示すように、ＬＮ基板１０上に例えばＳｉＯ2（二酸化ケイ素）などからなるバッファ層２０が積層され、バッファ層２０上に薄膜ＬＮ基板３０が積層される。薄膜ＬＮ基板３０の中央には、上方へ突起する光導波路１が形成される。そして、薄膜ＬＮ基板３０及び光導波路１がバッファ層４０によって被覆され、バッファ層４０の表面にコプレーナ構造の信号電極が配置される。すなわち、信号電極２Ｓが光導波路１と重なる位置に配置され、信号電極２Ｓを挟む一対の接地電極２Ｇが配置される。
このような薄膜光導波路によれば、信号電極２Ｓに電圧を印加して電界を発生させ、光導波路１の屈折率を変化させることにより、光導波路１を伝搬する光を変調することができる。また、薄膜ＬＮ基板３０及び光導波路１がバッファ層２０上に積層されるため、光導波路１に強く光を閉じ込めることができ、信号電極２Ｓに印加される駆動電圧を低減することができる。
特開２０１５－２２２４３９号公報 特開２０１４－１９１２５０号公報 米国特許第６３１０７００号明細書
ところで、薄膜光導波路では、光の伝搬損失が大きくなる傾向があり、光の挿入損失が大きくなる。そこで、コプレーナ構造の信号電極の代わりに、マイクロストリップ構造の信号電極を用いることが考えられる。マイクロストリップ構造の信号電極によれば、電界の印加効率をさらに高めることができ、光導波路の単位長当たりの変調効率を向上し、信号電極を短くすることができる。この結果、光導波路における光の挿入損失を低減することができる。
しかしながら、マイクロストリップ構造の信号電極を用いる場合には、変調帯域が狭いという問題がある。具体的には、マイクロストリップ構造の信号電極では、信号電極によって伝送されるマイクロ波の実効屈折率（等価屈折率）が小さいため、マイクロ波の速度が光導波路を伝搬する光の速度より大きくなる。この結果、特に高周波帯域での変調効率が低下し、変調帯域が狭くなってしまう。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、変調帯域を広帯域化することができる光デバイス及び光通信装置を提供することを目的とする。
本願が開示する光デバイスは、１つの態様において、接地電位の接地電極と、前記接地電極に積層される薄膜基板によって形成される薄膜光導波路と、前記薄膜光導波路を挟んで前記接地電極と対向する位置に配置され、高周波信号を伝送する信号電極と、前記信号電極の露出する表面の少なくとも一部を被覆する誘電体とを有する。
本願が開示する光デバイス及び光通信装置の１つの態様によれば、変調帯域を広帯域化することができるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る光通信装置の構成を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１に係る光変調器の構成を示す平面模式図である。 図３は、実施の形態１に係る光変調器の構成を示す断面図である。 図４は、実施の形態１に係る光変調器の変形例を示す断面図である。 図５は、実施の形態１に係る光変調器の他の変形例を示す断面図である。 図６は、実施の形態２に係る光変調器の構成を示す断面図である。 図７は、実施の形態２に係る光変調器の変形例を示す断面図である。 図８は、薄膜光導波路の具体例を示す断面図である。
以下、本願が開示する光デバイス及び光通信装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る光通信装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示す光通信装置１００は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１１０、光源１２０、光変調器１３０及び光受信回路１４０を有する。
ＤＳＰ１１０は、デジタル信号処理を実行する電気部品である。具体的には、ＤＳＰ１１０は、送信データの符号化などの処理を実行し、送信データを含む電気信号を生成して光変調器１３０へ出力する。また、ＤＳＰ１１０は、受信データを含む電気信号を光受信回路１４０から取得し、電気信号の復号などの処理を実行して受信データを得る。
光源１２０は、例えばレーザダイオードなどを備え、所定の波長の光を発生させて光変調器１３０及び光受信回路１４０へ供給する。
光変調器１３０は、ＤＳＰ１１０から出力される電気信号によって、光源１２０から供給される光を変調し、得られた光送信信号を光ファイバへ送出する。後述するように、光変調器１３０は、薄膜光導波路とマイクロストリップ構造の信号電極とを備え、光源１２０から供給される光が薄膜光導波路を伝搬する際に、この光を信号電極へ入力される電気信号によって変調し、光送信信号を生成する。光変調器１３０の構成については、後に詳述する。
光受信回路１４０は、光ファイバから光信号を受信し、光源１２０から供給される光を用いて受信光信号を復調する。そして、光受信回路１４０は、受信光信号を電気信号に変換し、得られた電気信号をＤＳＰ１１０へ出力する。
図２は、光変調器１３０の構成を示す平面模式図である。図２に示す光変調器１３０は、光変調器チップ１３１、光導波路基板１３２、ＲＦ（Radio Frequency：無線周波数）終端器１３３及びＰＢＣ（Polarization Beam Combiner：偏波ビームコンバイナ）１３４を有する。
光変調器チップ１３１は、入力側に光源１２０からの光ファイバが接続し、出力側に送信信号送出用の光ファイバが接続する半導体チップである。光変調器チップ１３１には、光導波路基板１３２、ＲＦ終端器１３３及びＰＢＣ１３４が実装される。
光導波路基板１３２は、薄膜光導波路２０１及び信号電極２０２を備え、光源１２０から供給される光が薄膜光導波路２０１を伝搬する際に、この光を信号電極２０２から印加される電界によって変調する。
薄膜光導波路２０１は、例えば薄膜ＬＮ基板を用いて形成される光導波路であり、光変調器チップ１３１の入力側から分岐を繰り返し、複数の平行な光導波路を有するマッハツェンダ干渉計を構成する。薄膜光導波路２０１を伝搬して変調された光は、ＰＢＣ１３４へ出力される。
信号電極２０２は、薄膜光導波路２０１に重なる位置に設けられるマイクロストリップ構造の伝送路であり、ＤＳＰ１１０から出力される電気信号に応じて薄膜光導波路２０１へ電界を印加する。信号電極２０２の終端は、ＲＦ終端器１３３に接続されている。また、信号電極２０２は、露出する表面の少なくとも一部が誘電体によって被覆されており、信号電極２０２によって伝送されるマイクロ波の実効屈折率（等価屈折率）が大きくなっている。このため、信号電極２０２によって伝送されるマイクロ波の速度が低下し、薄膜光導波路２０１を伝搬する光の速度に近づく。これにより、高周波帯域での変調効率低下を抑制することができ、変調帯域を広帯域化することができる。
ＲＦ終端器１３３は、光導波路基板１３２上の信号電極２０２の終端に接続され、信号電極２０２によって伝送される信号の不要な反射を防止する。
ＰＢＣ１３４は、光導波路基板１３２の出力側に配置され、薄膜光導波路２０１を伝搬して変調された光を偏波合成する。すなわち、ＰＢＣ１３４は、光導波路基板１３２から出力される一組の光をそれぞれ例えば水平偏波及び垂直偏波として合成する。
次に、光導波路基板１３２の構成について、具体的に説明する。図３は、図２の線分Ａにおける断面を示す断面図である。
図３に示すように、薄膜光導波路２０１及び信号電極２０２の部分においては、ＬＮ基板２１０上にマイクロストリップ構造の接地電極２２０が積層され、接地電極２２０上にはバッファ層２３０、２５０に挟まれた薄膜ＬＮ基板２４０が積層される。
ＬＮ基板２１０は、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）からなる厚さが例えば数百μｍ程度の基板である。接地電極２２０は、例えば銅などの金属からなる厚さが例えば０．５～５μｍの接地電位の電極である。バッファ層２３０は、例えばＳｉＯ2（二酸化ケイ素）又はＴｉＯ2（二酸化チタン）などの屈折率が高い透明材からなる厚さが１～１０μｍの層である。同様に、バッファ層２５０は、ＳｉＯ2又はＴｉＯ2などからなる厚さが０．２～３μｍの層である。
バッファ層２３０、２５０の間には、厚さが０．５～３μｍの薄膜ＬＮ基板２４０が挟まれており、薄膜ＬＮ基板２４０の中央には、上方へ突起する薄膜光導波路２０１が形成される。薄膜光導波路２０１となる突起の幅は、例えば１～８μｍ程度である。薄膜ＬＮ基板２４０及び薄膜光導波路２０１は、バッファ層２５０によって被覆されており、バッファ層２５０の表面に信号電極２０２が配置される。つまり、信号電極２０２は、薄膜光導波路２０１を挟んで接地電極２２０に対向し、マイクロストリップ構造の伝送路を構成している。
信号電極２０２は、例えば銅などの金属からなり、幅が２～１０μｍ、高さが１～２０μｍの電極である。ＤＳＰ１１０から出力される電気信号に応じた高周波信号が信号電極２０２によって伝送されることにより、信号電極２０２から接地電極２２０へ向かう方向の電界が発生し、この電界が薄膜光導波路２０１に印加される。これにより、薄膜光導波路２０１の屈折率が変化し、薄膜光導波路２０１を伝搬する光を変調することが可能となる。
信号電極２０２の露出する側面及び上面は、誘電体膜２６０によって被覆される。誘電体膜２６０としては、例えばＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）、Ｔａ2Ｏ5（五酸化タンタル）などを成膜したものや、ＳｉＯＮ膜（シリコン酸窒化膜）などを用いることができる。これらの誘電体を材料とする誘電体膜２６０を形成する際には、例えばスパッタ法などを用いた成膜をすることが可能である。誘電体膜２６０の膜厚は、例えば０．４～５μｍ程度である。
信号電極２０２の露出する表面が誘電体膜２６０によって被覆されることにより、信号電極２０２によって伝送されるマイクロ波の実効屈折率が大きくなる。実効屈折率の大きさは、誘電体膜２６０の膜厚を変化させることにより、所望の大きさに調節することが可能である。そして、実効屈折率が大きくなることによりマイクロ波の速度が低下し、薄膜光導波路２０１を伝搬する光の速度に近づく。結果として、高周波帯域での変調効率低下を抑制することができ、変調帯域を広帯域化することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、マイクロストリップ構造の信号電極と接地電極の間に、薄膜光導波路が配置され、信号電極が誘電体膜によって被覆される。このため、信号電極によって伝送されるマイクロ波の実効屈折率が大きくなり、マイクロ波の速度が低下して薄膜光導波路を伝搬する光の速度に近づく。この結果、高周波帯域での変調効率低下を抑制することができ、変調帯域を広帯域化することができる。
なお、上述したように、誘電体膜２６０の膜厚を変化させることによって実効屈折率の大きさを調節することが可能であるため、信号電極２０２の大きさ（幅及び高さ）を比較的自由に変更することができる。
具体的には、例えば図４に示すように、信号電極２０２の幅ＷSを薄膜光導波路２０１の幅ＷLよりも大きくしても良い。こうすることにより、薄膜光導波路２０１への電界の印加効率をさらに向上することができ、駆動電圧を低減することが可能となる。また、信号電極２０２の幅ＷSを大きくすることで、信号電極２０２の断面積が大きくなって抵抗値が低下し、信号帯域を改善することができる。
また、例えば図５に示すように、信号電極２０２は、幅ＷSよりも高さＨSが大きい断面形状を有しても良い。こうすることにより、信号電極２０２のインピーダンス低下を抑制して、高周波帯域の反射を抑制しつつ、信号電極２０２の断面積を大きくすることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２の特徴は、誘電体層に信号電極を埋設し、信号電極の側面を誘電体層によって被覆する点である。
実施の形態２に係る光通信装置及び光変調器の構成は、実施の形態１と同様であるため、その説明を省略する。実施の形態２においては、光導波路基板１３２の構成が実施の形態１とは異なる。
図６は、実施の形態２に係る光導波路基板１３２の構成を示す断面図である。図６は、図３と同様に、図２の線分Ａにおける断面を示している。図６において、図３と同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。
図６に示すように、実施の形態２においては、バッファ層２５０に誘電体層２７０が積層されている。そして、誘電体層２７０の薄膜光導波路２０１と重なる位置には開口部が形成され、開口部に信号電極２０２が配置される。このため、信号電極２０２の側面が誘電体層２７０によって被覆される一方、信号電極２０２の上面は露出している。
誘電体層２７０としては、例えばＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5などを成膜したものや、ＳｉＯＮ膜を用いることができる。これらの誘電体を材料とする誘電体層２７０を形成する際には、例えばスパッタ法などを用いた成膜をすることが可能である。また、誘電体層２７０とバッファ層２５０が同一の材料からなる場合には、誘電体層２７０とバッファ層２５０を別体として設けなくても良く、誘電体層２７０とバッファ層２５０が一体化した誘電体層を設けても良い。
誘電体層２７０の開口部は、例えばエッチング又はリフトオフによって薄膜光導波路２０１と重なる位置の誘電体が除去されることによって形成される。そして、例えば銅などの金属の蒸着及びめっきによって、誘電体層２７０の開口部に信号電極２０２が形成される。これにより、側面が誘電体層２７０によって被覆された信号電極２０２が形成される。このような形成方法によれば、信号電極２０２の側面及び上面に誘電体膜を成膜する必要がなく、光導波路基板１３２の製造工程を簡易にすることができる。
信号電極２０２の側面が誘電体層２７０によって被覆されることにより、信号電極２０２によって伝送されるマイクロ波の実効屈折率が大きくなる。実効屈折率の大きさは、信号電極２０２の幅方向における誘電体層２７０の厚さを変化させることにより、所望の大きさに調節することが可能である。信号電極２０２の幅方向における誘電体層２７０の厚さは、例えばエッチング又はリフトオフによって不要な部分を除去することにより変化させることができる。そして、実効屈折率が大きくなるとマイクロ波の速度が低下し、薄膜光導波路２０１を伝搬する光の速度に近づく。結果として、高周波帯域での変調効率低下を抑制することができ、変調帯域を広帯域化することができる。
以上のように、本実施の形態によれば、マイクロストリップ構造の信号電極と接地電極の間に、薄膜光導波路が配置され、誘電体層に埋設された信号電極の側面が誘電体層によって被覆される。このため、信号電極によって伝送されるマイクロ波の実効屈折率が大きくなり、マイクロ波の速度が低下して薄膜光導波路を伝搬する光の速度に近づく。この結果、高周波帯域での変調効率低下を抑制することができ、変調帯域を広帯域化することができる。また、誘電体に被覆される信号電極を容易に形成することができる。
なお、上記実施の形態２において、信号電極２０２の断面積を大きくして抵抗値を低下させるために、例えば図７に示すように、信号電極２０２の上面に追加電極２０３を接続しても良い。このとき、追加電極２０３の幅Ｗ2を信号電極２０２の幅Ｗ1よりも大きくして、効率的に断面積を増大させても良い。すなわち、追加電極２０３は、信号電極２０２の上面から誘電体層２７０の上面にまで広がって形成されても良い。
追加電極２０３は、例えば誘電体層２７０の上面に幅Ｗ2の開口部を有するレジストを形成し、この開口部に例えば銅などの金属を蒸着及びめっきすることにより形成される。このとき、信号電極２０２とは別工程で追加電極２０３を形成しても良いが、誘電体層２７０に信号電極２０２のための開口部を形成した後、誘電体層２７０の上面にレジストを形成して蒸着及びめっきを行うことにより、信号電極２０２及び追加電極２０３が一体となった電極を同時に形成しても良い。
なお、上記実施の形態２においては、信号電極２０２の高さと誘電体層２７０の厚さが一致するものとしたが、必ずしも信号電極２０２の高さと誘電体層２７０の厚さが一致していなくても良い。すなわち、例えば信号電極２０２の高さよりも誘電体層２７０の厚さが小さく、信号電極２０２の側面のバッファ層２５０に近い部分のみが誘電体層２７０に被覆されるようにしても良い。信号電極２０２から発生する電界は、接地電極２２０に近い下方ほど大きくなるため、信号電極２０２の側面のバッファ層２５０に近い下方が誘電体層２７０によって被覆されることにより、効率的に実効屈折率を大きくすることができる。
１１０ ＤＳＰ
１２０ 光源
１３０ 光変調器
１３１ 光変調器チップ
１３２ 光導波路基板
１３３ ＲＦ終端器
１３４ ＰＢＣ
１４０ 光受信回路
２０１ 薄膜光導波路
２０２ 信号電極
２０３ 追加電極
２１０ ＬＮ基板
２２０ 接地電極
２３０、２５０ バッファ層
２４０ 薄膜ＬＮ基板
２６０ 誘電体膜
２７０ 誘電体層

Claims (8)

  1. 接地電位の接地電極と、
    前記接地電極に積層される薄膜基板によって形成される薄膜光導波路と、
    前記薄膜光導波路を挟んで前記接地電極と対向する位置に配置され、高周波信号を伝送する信号電極と、
    前記信号電極の露出する表面の少なくとも一部を被覆する誘電体と
    を有することを特徴とする光デバイス。
  2. 前記接地電極と前記薄膜基板の間に積層される第１のバッファ層と、
    前記薄膜基板に積層され、前記薄膜光導波路を被覆する第２のバッファ層とをさらに有し、
    前記信号電極は、
    前記第２のバッファ層の表面の前記薄膜光導波路と重なる位置に配置される
    ことを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
  3. 前記信号電極は、
    前記薄膜光導波路の幅よりも大きい幅を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
  4. 前記信号電極は、
    幅よりも高さが大きい断面形状を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
  5. 前記誘電体は、
    前記信号電極の側面と前記接地電極から遠い側の面とを被覆する誘電体膜を備える
    ことを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
  6. 前記誘電体は、
    前記薄膜基板に積層される誘電体層を備え、
    前記信号電極は、
    前記誘電体層の前記薄膜光導波路と重なる位置に埋設される
    ことを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
  7. 前記信号電極は、
    側面が前記誘電体によって被覆された第１の電極と、
    前記第１の電極の前記接地電極から遠い側の面に接続し、前記第１の電極よりも幅広の第２の電極と
    を有することを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
  8. 電気信号に対する信号処理を実行するプロセッサと、
    光を発生させる光源と、
    前記プロセッサから出力される電気信号を用いて、前記光源から発生する光を変調する光デバイスとを有し、
    前記光デバイスは、
    接地電位の接地電極と、
    前記接地電極に積層される薄膜基板によって形成される薄膜光導波路と、
    前記薄膜光導波路を挟んで前記接地電極と対向する位置に配置され、高周波信号を伝送する信号電極と、
    前記信号電極の露出する表面の少なくとも一部を被覆する誘電体とを有する
    ことを特徴とする光通信装置。
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