(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面に形成されたマッハツエンダー型光導波路と、この光導波路中を導波する光波を制御するための変調用電極とを具え、前記変調用電極は前記マッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の一方を導波する光波を変調するための信号電極と、この信号電極に対して実質的に対向電極の役割を有する接地電極とからなる光導波路素子であって、
前記接地電極は、前記マッハツエンダー型光導波路の変調領域において、前記マッハツエンダー型光導波路の長さ方向において分断されて、前記変調用電極の前記基板側の下面が、前記マッハツエンダー型光導波路の変調領域において、前記２本の分岐光導波路間の中心に対して実質的に左右対称となり、
前記接地電極の前記マッハツエンダー型光導波路の長さ方向において分断された部分の底部全域に、導電性材料からなる薄膜を形成したことを特徴とする、光導波路素子。
【請求項２】
前記変調用電極は、前記マッハツエンダー型光導波路の変調領域において、前記マッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路間の中心に対して実質的に左右対称に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路素子に関し、さらに詳しくは、高速・大容量光ファイバ通信システムにおける高速光変調器などに好適に用いることのできる光導波路素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速・大容量光ファイバ通信システムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、光導波路素子を用いた高速光変調器が実用化され、広く用いられるようになってきている。
このような光導波路素子は一般に以下に示すような構成を有する。
図１は、従来の高速光変調器に用いられる光導波素子の一例の概略を示す断面図である。図２は、同じく従来の高速光変調器に用いられる光導波素子の他の例の概略を示す断面図である。
【０００３】
図１に示す光導波路素子１０は、電気光学効果を有する材料のＺカット板からなる基板１と、その上に形成されたバッファ層２とを有している。さらに、基板１内にチタン内拡散法などにより形成された光導波路３−１及び３−２を有している。この光導波路３−１及び３−２は対をなし、マッハツエンダー型光導波路を構成している。
【０００４】
また、バッファ層２上においては、光導波路３−１中を導波する光波に変調信号を印加するための信号電極４と、接地電極５−１及び５−２とを有している。そして、基板１にＺカット板を使用する場合は、図１に示すように信号電極４は光導波路３−１上に位置するように形成する。接地電極５−１及び５−２は信号電極４に対して対向電極の役割を果たし、これらによって形成される電極インピーダンスが外部インピーダンスである５０Ωにマッチングし、かつ駆動電圧を低減できるように可能な限り接近させて形成する。
【０００５】
図２に示す光導波路素子２０は、電気光学効果を有する材料のＸカット板からなる基板１１と、その上に形成されたバッファ層１２とを有している。さらに、図１と同様に、マッハツエンダー型光導波路を構成する光導波路１３−１及び１３−２を基板１１内に有している。さらに、バッファ層１２上において、前記同様に信号電極１４並びに接地電極１５−１及び１５−２を有している。
なお、基板１１にＸカット板を使用する場合、信号電極１４は光導波路１３−１の側面側に位置するように形成して、チャープタイプとなるようにする。また、接地電極１５−１及び１５−２は前記同様に対向電極としての作用を果たす。
【０００６】
図１及び２に示す光導波路素子１０及び２０においては、信号電極４及び１４に所定の半波長電圧を印加し、光導波路３−１及び１３−１中を導波する光波の位相を、光導波路３−２及び１３−２中を導波する光波の位相に対してπシフトさせることによって、光信号のオン／オフを行う。
上記半波長電圧は、光強度変調曲線上において予め所定の動作点を設定しておき、この動作点を基準として上記位相がπシフトする電圧から算出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１及び２に示すような従来の光導波路素子においては、これらの素子を光変調器として長時間使用した場合に、上記動作点がシフトしてしまうという問題が生じていた。このため、光信号をオン／オフするために印加していた半波長電圧が当初に設定した値からずれてしまい、前記光信号のオン／オフを良好に行うことができない場合があった。
したがって、これらの光導波路素子を高速・大容量の光ファイバ通信システムの光変調器として使用した場合に、これらのシステムに要求される高信頼性と高安定性という条件を満足できない場合があった。
【０００８】
本発明は、動作点シフトを生じることのない、高い信頼性を有する新たな光導波路素子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】
本発明の光導波路素子は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基板の主面に形成されたマッハツエンダー型光導波路と、この光導波路中を導波する光波を制御するための変調用電極とを具え、前記変調用電極は前記マッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の一方を導波する光波を変調するための信号電極と、この信号電極に対して実質的に対向電極の役割を有する接地電極とからなる光導波路素子であって、
前記接地電極は、前記マッハツエンダー型光導波路の変調領域において、前記マッハツエンダー型光導波路の長さ方向において分断されて、前記変調用電極の前記基板側の下面が、前記マッハツエンダー型光導波路の変調領域において、前記２本の分岐光導波路間の中心に対して実質的に左右対称となり、
前記接地電極の前記マッハツエンダー型光導波路の長さ方向において分断された部分の底部全域に、導電性材料からなる薄膜を形成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明者らは、上記した動作点シフトの原因見出すべく鋭意検討を行った。そして、動作点のシフト生じさせる主要因としてＤＣドリフトと温度ドリフトとの２種類が存在することに着目し、これらの観点から詳細な検討を行った。
その結果、ＤＣバイアスを印加しない場合においても、上記したような動作点シフトが生じることを発見し、上記動作点シフトにＤＣドリフトは関係しないことを見出した。そこで、本発明者らは温度ドリフトの観点からさらに詳細な検討を行った。そして、図１及び２に示す光導波路素子１０及び２０における光導波路３−１及び３−２、並びに光導波路１３−１及び１３−２の周辺形状の相違に着目した。
【００１１】
その結果、本発明者らは、基板１及び１１の上に形成された信号電極４及び１４、並びに接地電極５−１及び５−２、１５−１及び１５−２の形状、大きさを変化させることにより、動作点シフトが顕著に変化することを見出した。すなわち、信号電極及び接地電極の形状及び大きさが変化することにより、光導波路素子の動作中における温度上昇によって、これら電極の基板に及ぼす応力が変化する。その結果、光導波路周辺の屈折率が変化し、この屈折率変化が光導波路へも影響するために前記のような動作点シフトを生じさせるものである。
【００１２】
例えば、図１に示す光導波路素子１０の場合においては、信号電極４並びに接地電極５−１及び５−２は形状及び大きさともに異なるため、温度上昇によってこれらが基板１に対して及ぼす応力もそれぞれ異なってくる。したがって、信号電極４近傍の屈折率変化と接地電極５−１及び５−２近傍の屈折率変化は互いに異なるようになり、これによって光導波路３−１及び３−２が受ける屈折率変化の影響が異なってくる。このため、光導波路素子１０において温度ドリフトに起因した動作点シフトが生じるものである。
【００１３】
本発明は、上記のような長年の検討の結果によってなされたものである。
本発明においては、マッハツエンダー型の光導波路を具える光導波路素子において、信号電極や接地電極からなる変調用電極の基板との接触面を、前記接地電極を前記マッハツエンダー型光導波路の長手方法において分断することにより、
前記マッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路、例えば、図１に示す光導波路３−１及び３−２間の中心Ｉ−Ｉに対して左右対称になるようにしている。
したがって、温度上昇時における前記変調用電極から基板に負荷される応力が、前記２本の分岐光導波路の中心に対して左右対称となるために、前記２本の分岐光導波路のそれぞれに対する屈折率変化の影響が同一となる。その結果、光導波路素子全体として、温度ドリフトによる動作点シフトを防止することができるものである。
また、前記接地電極の前記分断した部分に導電性材料からなる薄膜を設けているので、前記接地電極の導通性の劣化を補うことができる。
【００１４】
このように本発明の光導波路素子は、高い信頼性と高い安定性を有するために、高速・大容量の光ファイバ通信システムなどの高速光変調器として好適に使用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図３は、本発明の光導波路素子の好ましい態様の一例を示す平面概略図である。
図４は、図３に示す光導波路素子をＡ−Ａ面に沿って切った場合の断面図である。
なお、図３及び４並びに以下に示す図においては、本発明の特徴を明確に説明すべく、各部の大きさ及び縮尺などについては実際のものとは異なって描いている。
【００１６】
図３及び４に示す光導波路素子３０は、電気光学効果を有する材料のＺカット板からなる基板２１と、この基板２１の上に形成されたバッファ層２２とを具えている。そして、基板２１内にはチタン内拡散法などによって形成された光導波路２３−１及び２３−２を具えている。この光導波路２３−１及び２３−２は互いに対をなし、マッハツエンダー型光導波路２７を構成している。
【００１７】
また、バッファ層２２上において、光導波路２３−１上に位置するようにして形成された信号電極２４と、この信号電気２４に対して対向電極としての作用を有する接地電極２５−１及び２５−２とを有している。さらに、接地電極２５−２は、マッハツエンダー型光導波路２７の変調領域において、前記マッハツエンダー型光導波路２７の長さ方向において分断されている。この分断部分は、その幅ｄ１が信号電極２４と接地電極２５−１とのギャップｇ１と等しくなるように形成する。そして、その分断された部分にＡｌなどの導電性材料からなる薄膜２６が形成されている。
なお、図中Ｗ１で示される領域は、マッハツエンダー型光導波路２７の変調領域を示す。
【００１８】
このように図３及び４に示す光導波路素子３０は、接地電極２５−２をマッハツエンダー型光導波路２７の長さ方向において分断している。そして、その分断部分の幅ｄ１が信号電極２４と接地電極２５−１とのギャップｇ１とに等しくなっている。このため、図４に示すように、信号電極２４と接地電極２５−１及び２５−２は、マッハツエンダー型光導波路２７の変調領域Ｗ１において、このマッハツエンダー型光導波路２７を構成する２本の分岐光導波路である光導波路２３−１及び２３−２の中心II―IIに対して左右対称になっている。
したがって、温度上昇により信号電極２４などの基板に対する応力によって生じる屈折率変化が、光導波路２３−１及び２３−２において同一となるため、動作点シフトが生じる事なく高い信頼性の元に光導波路素子３０を使用することができる。
【００１９】
なお、図３及び４に示す光導波路素子３０においては、接地電極２５−２の分断した箇所に底面全域に導電性材料からなる薄膜２６を形成している。これにより、分断したことによって生じる接地電極２５−２の導通性の劣化を補うことができ、高周波特性の劣化を抑圧することができる。
薄膜２６を構成する導電性材料としては、上記Ａｌの他にＣｕ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ａｕ、及びＴｉを例示することができる。
【００２０】
また、図３及び４においては、基板２１上にバッファ層２２を設けているが、本発明においてバッファ層を設けることは必ずしも必要とされない。但し、バッファ層を形成することにより、前記したような導波光の伝搬損失を低減することができる。
【００２１】
図５は、本発明の光導波路素子の好ましい態様の他の例を示す平面概略図である。図６は、図５に示す光導波路素子をＢ−Ｂ面に沿って切った場合の断面図である。
図５及び６に示す光導波路素子４０は、電気光学効果を有する材料のＸカット板からなる基板３１と、この基板３１の上に形成されたバッファ層３２とを具えている。そして、前記同様に、基板３１内にはマッハツエンダー型光導波路３７を構成する光導波路３３−１及び３３−２を具えている。
【００２２】
また、バッファ層３２上において、光導波路３３−１の側面側に位置するようにして形成された信号電極３４と、この信号電極３４に対して対向電極としての作用を有する接地電極３５−１及び３５−２とを有している。さらに、接地電極３５−２は、マッハツエンダー型光導波路３７の変調領域において、前記マッハツエンダー型光導波路３７の長さ方向において分断されている。この際、分断部分は、その幅ｄ２が信号電極３４と接地電極３５−１とのギャップｇ２と等しくなるように形成されている。そして、その分断された部分の底面全域に前記同様に導電性材料からなる薄膜３６が形成されている。
なお、図中Ｗ２で示される領域は、マッハツエンダー型光導波路３７の変調領域を示す。
【００２３】
図５及び６に示す光導波路素子４０は、図３及び４に示す光導波路素子３０と基板を構成する材料のカット面、及びこれに伴う信号電極などの配置が若干異なる点で相違している。
【００２４】
図５及び６に示す光導波路素子４０においても、接地電極３５−２をマッハツエンダー型光導波路３７の長さ方向において分断し、その幅ｄ２が信号電極３４と接地電極３５−１とのギャップｇ２と等しくなるように形成されている。したがって、図６に示すように、マッハツエンダー型光導波路３７の変調領域Ｗ２において、信号電極３４と接地電極３５−１及び３５−２が、このマッハツエンダー型光導波路３７を構成する２本の分岐光導波路である光導波路３３−１及び３３−２の中心III ―III に対して左右対称になっている。
このため、温度上昇により信号電極３４などの基板に対する応力によって生じる屈折率変化が、光導波路３３−１及び３３−２において同一となるため、動作点シフトが生じる事なく高い信頼性の元に光導波路素子４０を使用することができる。
【００２５】
なお、薄膜３６を設けることにより、前記同様の効果を得ることができる。薄膜３６についても薄膜２６と同様の導電性材料から構成することができる。また、前記同様にバッファ層３２は本発明において必須の要素ではなく、バッファ層３２を設けない場合においても、本発明の目的を十分に達成することができる。
【００２６】
以上図３〜６においては、マッハツエンダー型光導波路の変調領域において、信号電極及び接地電極からなる変調用電極が、マッハツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路間の中心に対して左右対称である場合について説明した。
しかしながら、変調用電極自体、すなわち変調用電極形状及び大きさが分岐光導波路間の中心に対して対称である必要はなく、変調用電極の基板と接する面、あるいは変調用電極のバッファ層と接する面が、前記中心に対して対称であればよい。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例において本発明を具体的に説明する。
実施例１
本実施例においては、図３及び４に示すような光導波路素子３０を作製した。
ニオブ酸リチウム単結晶のＺカット板を基板２１として用い、この基板上にフォトレジストによってマッハツエンダー型の光導波路パターンを作製した。次いで、このパターン上に蒸着法によってチタンを堆積させた。その後、基板全体を９５０〜１０５０℃で１０〜２０時間加熱することによって、前記チタンを基板２１内部へ拡散し、マッハツエンダー型光導波路２７を作製した。次いで、基板２１上に酸化シリコンからなるバッファ層２２を厚さ０．５μｍに形成した。
【００２８】
その後、接地電極の分断部分を形成すべき箇所に開口部を形成したマスクを用い、蒸着法及びメッキ法を併用することによって金（Ａｕ）からなる信号電極２４と、接地電極２５−１及び２５−２とを厚さ１５μｍに形成した。次いで、この分断された部分の底面全域に、蒸着法によってＡｌからなる薄膜２６を厚さ２０００Åに形成した。
なお、前記分断部分の幅ｄ１は、信号電極２４と接地電極２５−１とのギャップｇ１と等しく２５μｍに形成した。
その後、このようにして作製した光導波路素子３０のマッハツエンダー型光導波路２７の入出力口に光ファイバを接続し、温度を０〜７０℃に変化させた時の動作点シフトを調べた。その結果、前記動作点シフトは０．３Ｖであった。
【００２９】
実施例２
本実施例においては、図５及び６に示すような光導波路素子４０を作製した。
基板３１としてニオブ酸リチウム単結晶のＸカット板を用いた以外は、実施例１と同様にして光導波路素子４０を作製した。
この光導波路素子４０の動作点シフトを実施例１と同様にして調べた結果、０．２Ｖであった。
【００３０】
比較例１
本比較例においては、図１に示すような光導波路素子１０を作製した。この光導波路素子１０の作製においては、接地電極を分断して導電性材料からなる薄膜を形成しなかった以外は、実施例１と同様にして実施した。
また、得られた光導波路素子１０に対して実施例１と同様にして動作点シフトを調べた。その結果、動作点シフトは１．８Ｖであった。
【００３１】
比較例２
本比較例においては、図２に示すような光導波路素子２０を作製した。この光導波路素子２０の作製においては、接地電極を分断して導電性材料からなる薄膜を形成しなかった以外は、実施例２と同様にして実施した。
また、得られた光導波路素子２０に対して実施例１と同様にして動作点シフトを調べた。その結果、動作点シフトは１．０Ｖであった。
【００３２】
以上実施例及び比較例から明らかなように、本発明にしたがって得た光導波路素子は動作点シフトが小さく、温度上昇による変調用電極が基板に対して及ぼす応力がほぼ一定であり、屈折率変化がほぼ一定であることが分かる。したがって、本発明の光導波路素子は、高い信頼性と安定性とを有することが分かる。
【００３３】
以上、本発明について具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない範囲においてあらゆる変形や変更が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路素子は、長時間使用した場合においても温度ドリフトによる動作点シフトがほとんど生じない。そのため、長期信頼性及び安定性が要求される高速・大容量の光ファイバ通信システムなどに好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の光導波路素子の一例を示す断面図である。
【図２】  従来の光導波路素子の他の例を示す断面図である。
【図３】  本発明の光導波路素子の一例を示す平面概略図である。
【図４】  図３に示す光導波路素子をＡ−Ａ線に沿って切った断面図である。
【図５】  本発明の光導波路素子の他の例を示す平面概略図である。
【図６】  図５に示す光導波路素子をＢ−Ｂ線に沿って切った断面図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、３１  基板
２、１２、２２、３２  バッファ層
３―１、３−２、１３−１、１３−２、２３−１、２３−２、３３−１、３３−２  （分岐）光導波路
４、１４、２４、３４  信号電極
５−１、５−２、１５−１、１５−２、２５−１、２５−２、３５−１、３５−２  接地電極
１０、２０、３０、４０  光導波路素子
２６、３６  薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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