(57)【要約】【課題】ＤＣバイアス電圧が小さい光変調器を提供する。【解決手段】基板に形成された少なくとも２本の光導波路と、光を変調する高周波電気信号が伝搬する高周波電気信号用の進行波電極と、光にバイアス電圧を印加するバイアス電極とを有し、光導波路は、進行波電極に高周波電気信号が印加されることにより光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより光の位相を調整するためのＤＣバイアス用相互作用部とを具備し、バイアス電極は、下方に前記２本の光導波路がある第１のバイアス電極および第２のバイアス電極と、下方に前記２本の光導波路が無い少なくとも１つの別のバイアス電極とで構成されており、第１のバイアス電極と第２のバイアス電極とのギャップが、第１のバイアス電極または第２のバイアス電極と別のバイアス電極とのギャップよりも狭い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための少なくとも２本の光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号が伝搬する高周波電気信号用の中心電極及び接地電極を有する進行波電極と、前記光にバイアス電圧を印加するバイアス電極とを有し、
前記光導波路は、前記進行波電極に前記高周波電気信号が印加されることにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのＤＣバイアス用相互作用部とを具備する光変調器において、
前記ＤＣバイアス用相互作用部における前記バイアス電極は、下方に前記２本の光導波路がある第１のバイアス電極および第２のバイアス電極と、下方に前記２本の光導波路が無い少なくとも１つの別のバイアス電極とで構成されており、
前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極とのギャップが、前記第１のバイアス電極または前記第２のバイアス電極と前記別のバイアス電極とのギャップよりも狭いことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記別のバイアス電極が２つで構成され、当該２つのうちの一方が前記第１のバイアス電極と相対向して配置され、当該２つのうちの他方が前記第２のバイアス電極と相対向して配置されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記ＤＣバイアス用相互作用部は、前記基板を掘り下げることにより形成したリッジ構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記ＤＣバイアス用相互作用部は、前記基板が平面構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学効果を利用して、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射し、ＲＦ駆動電圧とともにＤＣバイアス電圧が小さい光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。
【０００３】
このような要望に応える光変調器として、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ3）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。
【０００４】
以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したＬＮ光変調器について説明する。
【０００５】
（従来技術）
従来技術の光変調器として、特許文献１に開示されたｚ−カットＬＮ基板を用いて構成した、いわゆるリッジ型ＬＮ光変調器をとりあげ、その概略上面図を図３に示す。また、図４（ａ）と（ｂ）は図３のＡ−Ａ´とＢ−Ｂ´線における概略断面図である。
【０００６】
ｚ−カットＬＮ基板１上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。したがって、光導波路３の電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。
【０００７】
この光導波路３の上面にＳｉＯ2バッファ層２が形成され、このＳｉＯ2バッファ層２の上面に進行波電極４が形成されている。進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いている。なお、通常、進行波電極４は貴金属材料であるＡｕにより形成されている。中心導体４ａの幅は各種の値をとるが、多くの場合７μｍ程度であり、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間のギャップも各種の値をとるが、１５μｍ程度であることが多い。なお、説明を簡単にするために、本明細書では温度ドリフト抑圧のための通常用いるＳｉ導電層を省略して議論を進める。
【０００８】
また、図３においてＩとして示された領域では、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとを伝搬する高周波電気信号と２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光とが相互作用するので、Ｉは高周波電気信号用相互作用部と呼ばれる。一方、ＩＩとして示された領域では、バイアス電極５ａ―１と５ａ−２を有するバイアス電極５ａとバイアス電極５ｂ―１と５ｂ−２を有するバイアス電極５ｂに印加されたバイアス電圧と２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光とが相互作用するので、ＤＣバイアス用相互作用部（あるいはＤＣバイアス部、もしくは簡単にバイアス部）と呼ばれる。なお、下方に相互作用光導波路３ａ、３ｂがあるバイアス電極５ｂ−２、５ａ―１をそれぞれ第１のバイアス電極、第２のバイアス電極とも言い、下方に相互作用光導波路３ａ、３ｂが無いバイアス電極５ａ−２と５ｂ―１を、別のバイアス電極とも言う。
【０００９】
図４に示すように、この従来技術ではｚ−カットＬＮ基板１をエッチングなどで掘り込むことにより、リッジ部６ａ、６ｂを有するリッジ構造を形成している。このリッジ構造を採ることにより、高周波電気信号（あるいは、マイクロ波）の実効屈折率（あるいは、マイクロ波実効屈折率）、特性インピーダンス、変調帯域、駆動電圧などにおいて優れた特性を実現することができる。なお、図４ではリッジ部６ａ、６ｂの高さを強調して描いているが、実際には数μｍ程度の深さであり、中心導体４ａや接地導体４ｂ、４ｃの厚みである数十μｍに比較すると、その値は小さい。
【００１０】
図４（ｂ）のバイアス相互作用部において、バイアス電極５ａ−１、５ａ−２と５ｂ−１、５ｂ−２との間に電圧が印加されることにより、電気力線７−１、７−２、及び７−３が発生し、この電気力線が光導波路３ａと３ｂを伝搬する光と相互作用する。
【００１１】
この従来技術では、バイアス電極５ａ−１、５ａ−２と５ｂ−１、５ｂ−２のギャップがＷと全て等しいので、バイアス電圧の電気力線７−１、７−２、及び７−３と光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光との相互作用の効率が悪く、結果的にバイアス部の半波長電圧（あるいはＤＣＶπ、ＤＣバイアス電圧、もしくは簡単にバイアス電圧）が高いという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平４−２８８５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上のように、従来技術として示した構成においては、バイアス電極間のギャップが全て等しかったので、バイアス電圧の電気力線とバイアス部の光導波路を伝搬する光との相互作用の効率が悪く、結果的にバイアス部の半波長電圧（ＤＣＶπ）が高くなるという問題があった。
【００１４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ＤＣバイアス電圧を同時に充分に低減した光変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための少なくとも２本の光導波路と、前記基板の一方の面側に形成され、前記光を変調する高周波電気信号が伝搬する高周波電気信号用の中心電極及び接地電極を有する進行波電極と、前記光にバイアス電圧を印加するバイアス電極とを有し、前記光導波路は、前記進行波電極に前記高周波電気信号が印加されることにより前記光の位相を変調するための高周波電気信号用相互作用部と、前記バイアス電極にバイアス電圧を印加することにより前記光の位相を調整するためのＤＣバイアス用相互作用部とを具備する光変調器において、前記ＤＣバイアス用相互作用部における前記バイアス電極は、下方に前記２本の光導波路がある第１のバイアス電極および第２のバイアス電極と、下方に前記２本の光導波路が無い少なくとも１つの別のバイアス電極とで構成されており、前記第１のバイアス電極と前記第２のバイアス電極とのギャップが、前記第１のバイアス電極または前記第２のバイアス電極と前記別のバイアス電極とのギャップよりも狭いことを特徴としている。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の光変調器は、請求項１に記載の光変調器において、前記別のバイアス電極が２つで構成され、当該２つのうちの一方が前記第１のバイアス電極と相対向して配置され、当該２つのうちの他方が前記第２のバイアス電極と相対向して配置されることを特徴としている。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の光変調器は、請求項１または２に記載の光変調器において、前記ＤＣバイアス用相互作用部は、前記基板を掘り下げることにより形成したリッジ構造を有することを特徴としている。
【００１８】
本発明の請求項４に記載の光変調器は、請求項１または２に記載の光変調器において、前記ＤＣバイアス用相互作用部は、前記基板が平面構造であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る光変調器では、ＤＣバイアス用相互作用部においてバイアス電極間のギャップを異ならしめることにより、バイアス電圧の電気力線と光導波路との相互作用の効率を高くすることができ、ＤＣバイアス部の半波長電圧を低減することが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係わる光変調器の概略構成を示す上面図
【図２】（ａ）図１のＣ−Ｃ´線における断面図、（ｂ）図１のＤ−Ｄ´線における断面図
【図３】従来技術の光変調器についての概略構成を示す上面図
【図４】（ａ）図３のＡ−Ａ´線における断面図、（ｂ）図３のＢ−Ｂ´線における断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図３から図４に示した従来技術と同一の符号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一の符号を持つ機能部の説明を省略する。
【００２２】
（実施形態）
図１は本発明における光変調器の上面図である。図１のＣ−Ｃ´線とＤ−Ｄ´線における断面図を各々図２（ａ）と（ｂ）に示す。本発明は従来技術と同様に、高周波電気信号用相互作用部ＩとＤＣバイアス用相互作用部ＩＩＩとを備えるバイアス分離型の光変調器である。図１から分かるように、高周波電気信号用相互作用部ＩとＤＣバイアス用相互作用部ＩＩＩとで、相互作用光導波路３ａと３ｂとの間隔が異なっている。
【００２３】
まず、高周波電気信号用相互作用部Ｉに対応する図２（ａ）からわかるように、前述した従来技術と同様に、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとからなる進行波電極４を伝搬する高周波電気信号の実効屈折率が相互作用光導波路３ｂを伝搬する光の等価屈折率に近くなるように、リッジ構造としている。
【００２４】
そして本発明においては、図２（ｂ）に示すように、ＤＣバイアス用相互作用部ＩＩＩにおける光導波路３ａ、３ｂの上方にあるバイアス電極５ｂ−２´と５ａ−１´との間のギャップＷ1を、バイアス電極５ｂ−２´および５ａ−１´と下方に光導波路がないバイアス電極５ａ−２´および５ｂ−１´とのギャップＷ2、Ｗ3よりも狭くしている。つまり、Ｗ1＜Ｗ2、Ｗ3とする。なお、下方に相互作用光導波路３ａ、３ｂがあるバイアス電極５ｂ−２´、５ａ―１´をそれぞれ第１のバイアス電極、第２のバイアス電極とも言い、下方に相互作用光導波路３ａ、３ｂが無いバイアス電極５ａ−２´と５ｂ―１´を、別のバイアス電極とも言う。
【００２５】
このように構成することにより、次の２つの作用効果を奏する。即ち、バイアス電極５ａ−１´と５ｂ−２´との間のギャップＷ1が狭いので、電気力線上の電界を強くすることができ、かつ多くの電気力線を光導波路３ａ、３ｂに印加することが可能となる。この２つの効果により、結果的にＤＣバイアス部ＩＩＩでのＤＣＶπを低減することができる。
【００２６】
つまり、本発明ではＷ1＜Ｗ2、Ｗ3とすることにより、光導波路３ａの上方のバイアス電極５ｂ−２´と光導波路３ｂの上方のバイアス電極５ａ−１´との間の電気力線７−１´の本数を、バイアス電極５ｂ−２´と光導波路が下方に存在しないバイアス電極５ａ−２´との間の電気力線７−２´の本数やバイアス電極５ａ−１´と光導波路が下方に存在しないバイアス電極５ｂ−１´との間の電気力線７−３´の本数よりも多く、かつ強度も強くなるようにしている。
【００２７】
また、バイアス電極５ｂ−１´とバイアス電極５ａ−２´が存在することにより電気力線７−２´と電気力線７−３´が存在するので、バイアス電極５ａ−１´やバイアス電極５ｂ−２´と光導波路３ｂや３ａとの位置ずれ（製造工程におけるパターンずれ）が生じた場合であっても、ＤＣバイアス電圧が著しく上昇することはない。
【００２８】
なお、本発明はバイアス電極５ｂ−１´とバイアス電極５ａ−２´のどちらか一方がなくても適用可能である。
【００２９】
（各実施形態）
以上の説明では、リッジ構造を有する光変調器について説明したが、本発明は平面構造の光変調器にも適用可能であることは言うまでもない。あるいは、高周波電気信号用相互作用部はリッジ構造で、ＤＣバイアス用相互作用部は平面構造（あるいはプレーナ構造とも言う）の場合でも適用可能であることは言うまでもない。
【００３０】
また、分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもない。また光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてＡｌ2Ｏ3等のＳｉＯ2以外の各種材料も適用できる。
【符号の説明】
【００３１】
１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ2バッファ層（バッファ層）
３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ、３ｂ：マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
４：進行波導体
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５ａ、５ａ´、５ｂ、５ｂ´：バイアス電極
５ｂ−２、５ｂ−２´：バイアス電極（第１のバイアス電極）
５ａ−１、５ａ−１´：バイアス電極（第２のバイアス電極）
５ａ−２、５ａ−２´、５ｂ−１、５ｂ−１´：バイアス電極（別のバイアス電極）
６ａ、６ａ´、６ｂ、６ｂ´：リッジ部
７−１、７−１´、７−２、７−２´、７−３、７−３´：ＤＣバイアス電圧の電気力線
Ｉ：高周波電気信号用相互作用部
ＩＩ、ＩＩＩ：ＤＣバイアス用相互作用部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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