JP6233342B2 - 光変調器 - Google Patents
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Description
本発明は、光変調器に関し、特に、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、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器に関する。
光通信分野や光計測分野において光変調器が利用されている。光変調器としては、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板に、光導波路と該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極を形成したものが用いられ、特許文献１に示すように、制御電極をＲＦ変調信号を入力する変調電極とＤＣバイアス電圧を印加するＤＣ電極とを分離した構成を備えた光変調器が知られている。
また、光変調器を構成する基板には、Ｘカット型基板とＺカット型基板があり、Ｘカット型基板では基板表面に平行な方向の電界を光導波路に印加し、Ｚカット型基板では基板表面に垂直な方向の電界を光導波路に印加している。特に、Ｚカット型基板では光導波路の直上に制御電極を形成する必要があり、光導波路を伝搬する光波が制御電極で吸収されないようにするため、光導波路と制御電極との間にはバッファ層が設けられている。
これに対し、Ｘカット型基板では、光導波路を挟むように制御電極が配置されるため、バッファ層を設ける必要は無いが、制御電極の配線の取り回しの関係から光導波路を横切ることが不可欠であり、その際には、光導波路を伝搬する光波の一部が配線により吸収されることとなる。
図１は、Ｘカット型基板に形成されたＤＣ電極の一例を示す図である。図１では、２つのマッハツェンダー型導波路を並列配置した光変調器を示しているが、例えば、主マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路（Ａ３，Ｂ３）に、副マッハツェンダー型光導波路（副マッハツェンダー型光導波路の分岐導波路は、Ａ１とＡ２，Ｂ１とＢ２となる。）を入れ子型に組み込んだネスト型光導波路の一部が図示されている。
一方のマッハツェンダー型光導波路（Ａ１〜Ａ３）には、ＤＣ電極（Ｃ１，Ｃ２）が光導波路を挟むように形成され、各ＤＣ電極（Ｃ１，Ｃ２）にＤＣバイアス電圧（Ｖ１，Ｖ２）が印加される。また、他方のマッハツェンダー型光導波路（Ｂ１〜Ｂ３）には、ＤＣ電極（Ｃ３，Ｃ４）が光導波路を挟むように形成され、各ＤＣ電極（Ｃ３，Ｃ４）にＤＣバイアス電圧（Ｖ３，Ｖ４）が印加される。
図１のＤＣ電極では、例えば、点線Ｅ１と点線Ｅ２で示した箇所では、配線が光導波路（Ａ１，Ｂ１）を横切ることとなる。このため、光導波路（Ａ１）を伝搬する光波の一部が吸収され、分岐導波路Ａ１と分岐導波路Ａ２とでは、光の強度が異なり、両者を合成した場合の消光比が劣化する原因となっている。光導波路（Ｂ１〜Ｂ３）についても同様である。特に、ネスト型光導波路などのように、多数のマッハツェンダー型光導波路を組み込んだ光変調器においては、高速変調や多値変調など高度な変調技術が使用され、僅かな消光比の劣化も光変調器の特性に大きな影響を与える原因となる。
また、ＤＣ電極への給電が光変調器の一方の側面側から行われる場合など、ＤＣ電極の配線の取り回しにより、光導波路の対称軸（マッハツェンダー型光導波路の場合は、２つの分岐導波路の中間を通過する線）に対して配線の配置が非対称となり易い。図１では、点線Ｅ３の配線部分に対称となる部分（点線Ｅ４）には配線が存在しない。このような非対称性は、光導波路に電極（配線）が及ぼす内部応力が、各光導波路で異なる原因となり、各光導波路のモードフィールド径の変化によりさらなる消光比の劣化や、温度ドリフト現象（温度変化によりマッハツェンダー型光導波路の動作点がシフトする現象）を引き起こす。
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、消光比の劣化を抑制し、さらに温度ドリフト現象を抑制した光変調器を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の光変調器は、次のような技術的特徴を備えている。
（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、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該光導波路は、少なくとも互いに並列に配置された２つのマッハツェンダー型光導波路を有し、該制御電極は、ＤＣバイアスを印加するＤＣ電極を有し、該ＤＣ電極にＤＣバイアスを給電する配線が接続され、各マッハツェンダー型光導波路に対して、該配線が該マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の一方を横切っており、他方の分岐導波路の特定位置であって、該配線が前記一方の分岐導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第１のダミー電極を設け、一方のマッハツェンダー型光導波路の一部が、該配線及び該第１のダミー電極によって横切られており、他方のマッハツェンダー型光導波路の特定位置であって、該配線及び該第１のダミー電極が前記一方のマッハツェンダー型光導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第２のダミー電極を設け、さらに、該配線が、該マッハツェンダー型光導波路の延伸方向と平行に配置される平行配線部を有し、該延伸方向に平行かつ該マッハツェンダー型光導波路の対称軸となる中心軸に対し、該平行配線部と対称となる位置にほぼ同じ形状をした第３のダミー電極を形成したことを特徴とする。
（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、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該光導波路は、少なくとも互いに並列に配置された２つのマッハツェンダー型光導波路を有し、該制御電極は、ＤＣバイアスを印加するＤＣ電極を有し、該ＤＣ電極にＤＣバイアスを給電する配線が接続され、各マッハツェンダー型光導波路に対して、該配線が該マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の一方を横切っており、他方の分岐導波路の特定位置であって、該配線が前記一方の分岐導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第１のダミー電極を設け、一方のマッハツェンダー型光導波路の一部が、該配線及び該第１のダミー電極によって横切られており、他方のマッハツェンダー型光導波路の特定位置であって、該配線及び該第１のダミー電極が前記一方のマッハツェンダー型光導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第２のダミー電極を設け、さらに、該配線が、該マッハツェンダー型光導波路の延伸方向と平行に配置される平行配線部を有し、該延伸方向に平行かつ該マッハツェンダー型光導波路の対称軸となる中心軸に対し、該平行配線部と対称となる位置にほぼ同じ形状をした第３のダミー電極を形成したことを特徴とする。
本発明における「ダミー電極」とは、光導波路にＤＣバイアスを印加する「ＤＣ電極」の役割は無く、該ＤＣ電極にＤＣバイアスを給電する配線により、マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐導波路で伝搬する光の強度が異なる場合に、両者の光波の伝搬損失を同程度に設定するために設けられた電極（図２のＥ５、Ｅ６参照。「第１のダミー電極」という。）や、２つの並列したマッハツェンダー型光導波路において、一方のマッハツェンダー型光導波路に設けられた該配線や該ダミー電極により、２つのマッハツェンダー型光導波路で伝搬する光強度が異なる場合に、両方のマッハツェンダー型光導波路で光波の伝搬損失を同程度に設定するために、他方のマッハツェンダー型光導波路に設けられた電極（図３のＥ７参照。「第２のダミー電極」という。）を意味する。
また、本発明の「ダミー電極」には、ＤＣ電極にＤＣバイアスを給電する配線が、マッハツェンダー型光導波路の延伸方向と平行に配置される平行配線部を有し、該平行配線部により、マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐導波路に加わる内部応力が異なる場合に、２つの分岐導波路に加わる内部応力が等しくなるように設けられた電極（図５のＥ１０や図６のＥ１２参照。「第３のダミー電極」という。）も含まれる。
また、本発明の「ダミー電極」には、ＤＣ電極にＤＣバイアスを給電する配線が、マッハツェンダー型光導波路の延伸方向と平行に配置される平行配線部を有し、該平行配線部により、マッハツェンダー型光導波路を構成する２つの分岐導波路に加わる内部応力が異なる場合に、２つの分岐導波路に加わる内部応力が等しくなるように設けられた電極（図５のＥ１０や図６のＥ１２参照。「第３のダミー電極」という。）も含まれる。
（２） 上記（１）に記載の光変調器において、該光導波路を横切る該配線又は該ダミー電極は、該光導波路を横切る部分の幅は、該光導波路を横切る前後の部分の幅よりも狭くなっていることを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）に記載の光変調器において、該ＤＣ電極を構成するホット電極と接地電極との間隔よりも、該第３のダミー電極と該第３のダミー電極に隣接する該配線との間隔の方が広くなるよう構成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変調器において、該ダミー電極は、該ＤＣ電極に電気的に接続されてい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、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該光導波路は、少なくとも一つ以上のマッハツェンダー型光導波路を有し、該制御電極は、ＤＣバイアスを印加するＤＣ電極を有し、該ＤＣ電極にＤＣバイアスを給電する配線が、該マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の一方を横切っており、他方の分岐導波路の特定位置であって、該配線が前記一方の分岐導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第１のダミー電極を設けるため、各分岐導波路による光波の伝搬損失を同程度に設定でき、光変調器の消光比の劣化を抑制することが可能となる。
しかも、配線が、マッハツェンダー型光導波路の延伸方向と平行に配置される平行配線部を有し、該延伸方向に平行かつ該マッハツェンダー型光導波路の対称軸となる中心軸に対し、該平行配線部と対称となる位置にほぼ同じ形状をした他のダミー電極（第３のダミー電極）を形成するため、ＤＣ電極により分岐導波路に加わる内部応力が等しくなるため、温度ドリフト現象の発生を抑制することも可能となる。
以下、本発明の光変調器について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明の光変調器は、図２に示すように、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、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該光導波路は、少なくとも一つ以上のマッハツェンダー型光導波路（Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３）を有し、該制御電極は、ＤＣバイアスを印加するＤＣ電極（Ｃ１〜Ｃ４）を有し、該ＤＣ電極にＤＣバイアスを給電する配線が、該マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の一方を横切っており、他方の分岐導波路の特定位置であって、該配線が前記一方の分岐導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第１のダミー電極（点線Ｅ５，Ｅ６）を設けたことを特徴とする。
本発明の光変調器は、図２に示すように、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、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、該光導波路は、少なくとも一つ以上のマッハツェンダー型光導波路（Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３）を有し、該制御電極は、ＤＣバイアスを印加するＤＣ電極（Ｃ１〜Ｃ４）を有し、該ＤＣ電極にＤＣバイアスを給電する配線が、該マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の一方を横切っており、他方の分岐導波路の特定位置であって、該配線が前記一方の分岐導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第１のダミー電極（点線Ｅ５，Ｅ６）を設けたことを特徴とする。
本発明の光変調器に用いる基板は、ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ５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やＩｎＰなどの半導体、ポリマーなど、電気光学効果を有する基板が好適に利用可能である。特に、光変調器で多用されているＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ５が好ましい。本発明の光変調器は、Ｘカット型基板を用いた光変調器により好適に適用されるが、Ｚカット型基板においても、制御電極により伝搬損失を伴う場合や、温度ドリフト現象が発生する場合には、適用することが好ましい。
基板には光導波路が形成されている。基板に形成する光導波路は、例えば、ＬｉＮｂＯ３基板（ＬＮ基板）上にチタン（Ｔｉ）など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。光導波路のパターン形状としては、少なくとも一つのマッハツェンダー型導波路を備えており、例えば、複数のマッハツェンダー型導波路を組み合わせたネスト型導波路など、光変調器の用途に応じて種々の形状を採用することが可能である。
制御電極は、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。本発明のダミー電極は、ＲＦ変調信号を印加する変調電極には適用することが難しく、専らＤＣ電極に対して適用することが好ましい。
ＤＣ電極は、図２に示すように、ホット電極（Ｃ２，Ｃ４）と接地電極（Ｃ１，Ｃ３）で構成される。隣接するマッハツェンダー型光導波路の間では、図２の符号Ｄに示すように、接地電極を別途配置している。これは、マッハツェンダー型光導波路に設けられたＤＣ電極で発生した電界が、他の光導波路のＤＣ電極に影響を及ぼすことを抑制するためである。
図２では、ホット電極（Ｃ２，Ｃ４）の配線の一部にダミー電極（点線Ｅ５，Ｅ６）を設けることで、分岐導波路のＡ１とＡ２、又はＢ１とＢ２との間で、導波光の伝搬損失を同程度に設定することを可能としている。ダミー電極は、ホット電極（Ｃ２，Ｃ４）だけでなく、接地電極（Ｃ１，Ｃ３）に設けることも可能である。
図３は、本発明の光変調器に関する第２の実施例を説明する図である。光導波路は、少なくとも互いに並列に配置された２つのマッハツェンダー型光導波路（Ａ１〜Ａ３とＢ１〜Ｂ３）を有し、一方のマッハツェンダー型光導波路（Ａ１〜Ａ３）の一部が、配線及びダミー電極によって横切られており、他方のマッハツェンダー型光導波路（Ｂ１〜Ｂ３）の特定位置であって、該配線及び該ダミー電極が前記一方のマッハツェンダー型光導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第２の他のダミー電極（点線Ｅ７）を設けたのである。
図３のような構成を採用することで、マッハツェンダー型光導波路（Ａ１〜Ａ３）と他のマッハツェンダー型光導波路（Ｂ１〜Ｂ３）との間で、互いの伝搬損失を同程度に設定でき、この２つのマッハツェンダー型光導波路を合波した際の消光比を、高品質に維持することが可能になる。
さらに、配線やダミー電極による導波光の伝搬損失を低減する方法としては、図３の点線Ｅ８の部分を拡大した図である図４に示すように、配線（又はダミー電極）が光導波路（Ａ１，Ａ２）を横切る部分の幅は、矢印Ｆのように、該光導波路を横切る前後の部分の幅よりも狭くすることが好ましい。
図５及び図６は、本発明の光変調器に関する第３及び第４の実施例を説明する図である。具体的には、配線が、マッハツェンダー型光導波路の延伸方向と平行に配置される平行配線部（Ｅ９，Ｅ１１）を有し、該延伸方向に平行かつ該マッハツェンダー型光導波路の対称軸となる中心軸に対し、該平行配線部と対称となる位置にほぼ同じ形状をした第３のダミー電極（Ｅ１０，Ｅ１２）を形成したことを特徴とする。本構成により温度ドリフト現象を抑制し、更に消光比の劣化を抑制することできる。
図５は、接地電極（Ｃ３）側にダミー電極を設けており、図６は、ホット電極（Ｃ４）側にダミー電極を構成している。ダミー電極は、通常、ＤＣ電極（Ｃ１〜Ｃ４）に電気的に接続されていることが好ましく。これにより、ダミー電極の電位も安定させることが可能になる。また、ダミー電極は、ホット電極と接地電極の何れに接続してもよいが、ＤＣ電極が形成する電界の対称性を維持するためには、ダミー電極を設ける原因となる、非対称な形状を形成している配線と同じ種類の電極に接続することが望ましい。
以上説明したように、本発明によれば、消光比の劣化を抑制し、さらに温度ドリフト現象を抑制した光変調器を提供することができる。
Ａ１〜Ａ３，Ｂ１〜Ｂ３ 光導波路
Ｃ１〜Ｃ４ ＤＣ電極
Ｖ１〜Ｖ４ ＤＣバイアス電圧
Ｄ 接地電極
Ｆ 凹部
Ｃ１〜Ｃ４ ＤＣ電極
Ｖ１〜Ｖ４ ＤＣバイアス電圧
Ｄ 接地電極
Ｆ 凹部
Claims (4)
- 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、該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを有する光変調器において、
該光導波路は、少なくとも互いに並列に配置された２つのマッハツェンダー型光導波路を有し、
該制御電極は、ＤＣバイアスを印加するＤＣ電極を有し、
該ＤＣ電極にＤＣバイアスを給電する配線が接続され、
各マッハツェンダー型光導波路に対して、該配線が該マッハツェンダー型光導波路の２つの分岐導波路の一方を横切っており、他方の分岐導波路の特定位置であって、該配線が前記一方の分岐導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第１のダミー電極を設け、
一方のマッハツェンダー型光導波路の一部が、該配線及び該第１のダミー電極によって横切られており、他方のマッハツェンダー型光導波路の特定位置であって、該配線及び該第１のダミー電極が前記一方のマッハツェンダー型光導波路を横切った位置と相対的に対称となる特定位置に、第２のダミー電極を設け、
さらに、該配線が、該マッハツェンダー型光導波路の延伸方向と平行に配置される平行配線部を有し、該延伸方向に平行かつ該マッハツェンダー型光導波路の対称軸となる中心軸に対し、該平行配線部と対称となる位置にほぼ同じ形状をした第３のダミー電極を形成したことを特徴とする光変調器。 - 請求項１に記載の光変調器において、該光導波路を横切る該配線又は該ダミー電極は、該光導波路を横切る部分の幅は、該光導波路を横切る前後の部分の幅よりも狭くなっていることを特徴とする光変調器。
- 請求項１又は２に記載の光変調器において、該ＤＣ電極を構成するホット電極と接地電極との間隔よりも、該第３のダミー電極と該第３のダミー電極に隣接する該配線との間隔の方が広くなるよう構成されていることを特徴とする光変調器。
- 請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器において、該ダミー電極は、該ＤＣ電極に電気的に接続されていることを特徴とする光変調器。
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