(57)【要約】【課題】  基板の厚みが２０μｍ以下の部分を含む薄板を使用した光変調器において、光変調器の生産性を劣化させず、光変調器内の光導波路を伝搬する光波から特定の偏波を選択可能な光変調器を提供すること。【解決手段】  電気光学効果を有する材料で形成されたＸカット又はＹカットの薄板１と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路３と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための制御用電極とを含む光変調器において、該光導波路の近傍に、該光導波路を伝搬する光波の特定偏波面の光を吸収する減衰手段１０，１１を配置することを特徴とする。好ましくは、該減衰手段は光吸収性部材であり、該光吸収性部材は光導波路を挟んで、該光導波路を伝搬する光波のモード径の０．５〜２倍の間隔Ｌで配置されていることを特徴とする。【選択図】図３
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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材料で形成されたＸカット又はＹカットの薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための制御用電極とを含む光変調器において、
該光導波路の近傍に、該光導波路を伝搬する光波の特定偏波面の光を吸収する減衰手段が配置されており、該減衰手段は、光吸収性部材から構成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の光変調器において、該光吸収手段は複数の光吸収部材から構成され、該光吸収性部材が光導波路を挟んで該光導波路を伝搬する光波のモード径の０．５〜２倍の間隔で配置されていることを特徴とする光変調器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光変調器において、該減衰手段は制御用電極の少なくとも一部からなることを特徴とする光変調器。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の光変調器において、該減衰手段は、該光導波路の入力側又は出力側の少なくとも一方の光導波路部分に形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の光変調器において、該減衰手段は、基板の表面又は裏面の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調器において、該薄板の厚みは、２０μｍ以下の部分を有することを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器に関し、特に、電気光学効果を有する材料で形成され、厚みが２０μｍ以下の部分を有する薄板と、該薄板の裏面に接着され、該薄板より厚みの大きい補強板とを含む光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信分野や光測定分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路や変調電極を形成した導波路型光変調器が多用されている。
特に、マルチメディアの発展に伴い情報伝達量も増加傾向にあり、光変調周波数の広帯域化を実現する必要がある。これらを実現する手段の一つとしてＬｉＮｂＯ３（以下、「ＬＮ」という。）変調器等による外部変調方式が多様化されている。しかし、ＬＮ変調器の広帯域の実現には、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合、及び駆動電圧の低減を図る必要がある。
【０００３】
前記課題の解決手段として、従来は導波路上にバッファ層を設けることにより速度整合を図ってきた。しかし近年基板の加工技術の向上により基板の厚みを薄くすることにより、マイクロ波と光波の速度との速度整合条件を満足させ、且つ駆動電圧の低減を同時に図ることが試みられている。
以下の特許文献１乃至３においては、３０μｍ以下の厚みを有する薄い基板（以下、「第１基板」という。）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第１基板より誘電率の低い他の基板（以下、「第２基板」という。）を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図り且つ基板の機械強度を維持することが行われている。
【特許文献１】特開昭６４−１８１２１号公報
【特許文献２】特開２００３−２１５５１９号公報
【特許文献３】特開平１０−１３３１５９号公報
【０００４】
他方、導波路型光変調器には、光強度変調器、光スイッチ、可変光減衰器（ＶＯＡ）、位相変調器などが開発され、実用に供されている。例えば、ＶＯＡ素子では、マッハツェンダー干渉計を構成する片アームの分岐導波路において、該導波路の屈折率を電気光学効果、熱光学効果などで変化させ、出力光強度を調整するものである。
しかしながら、光学的異方性を持った基板を用いた場合には、入射光偏波により、印加電圧や加熱量が異なることとなる。このため、特定の偏波のみを導波させることが行われている。
【０００５】
特定の偏波を選択する方法としては、図１（ａ）に示すように光変調器の基板１の入口端面に偏光子２を貼り付ける方法や、ＬＮ基板を用いた場合には、Ｘカット板では光導波路３上に金属膜４を貼付ける方法（図１（ｂ）参照）、また、Ｚカット板では光導波路の側面にスラブを付与する方法などがある。
【０００６】
しかしながら、基板の厚みが２０μｍ以下となる薄板を使用する場合には、図１（ａ）のように、基板端面に精度良く偏光子を貼り付けることは困難を伴い、また、図１（ｂ）のように金属膜４を薄板の表面に貼り付ける場合には、基板と金属膜との熱膨張率の差により基板が破損する危険性が増す上、そもそも光導波路３上に金属膜を設置した場合には、特定の偏波を吸収するだけでなく他の偏波面の光波まで減衰させてしまう不具合を生じる。
また、これらの特定の偏波を選択する方法は、光変調器を製造する工程以外に別途他の工程を組み込むことが必要であり、製造工程が複雑化し、製造コストの増大にも繋がる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、上述した問題を解決し、基板の厚みが２０μｍ以下の部分を含む薄板を使用した光変調器において、光変調器の生産性を劣化させず、光変調器内の光導波路を伝搬する光波から特定の偏波を選択可能な光変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する材料で形成されたＸカット又はＹカットの薄板と、該薄板の表面又は裏面に形成された光導波路と、該薄板の表面に形成され、該光導波路内を通過する光を変調するための制御用電極とを含む光変調器において、該光導波路の近傍に、該光導波路を伝搬する光波の特定偏波面の光を吸収する減衰手段が配置されており、該減衰手段は光吸収性部材から構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明では、請求項１記載の光変調器において、該光吸収手段は複数の光吸収部材から構成され、該光吸収性部材が光導波路を挟んで該光導波路を伝搬する光波のモード径の０．５〜２倍の間隔で配置されていることを特徴とする。なお複数の光吸収部材とは、光吸収部材が複数箇所の設けることを意味する。また、減衰手段を複数の光吸収性部材で構成する際には、各部材を同じ材料で形成するだけでなく、必要に応じて異なる材料で構成することも可能である。
【００１０】
請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調器において、該減衰手段は制御用電極の少なくとも一部からなることを特徴とする。なお、本発明における制御用電極とは、信号電極と接地電極との組合せを意味するだけでなく、ＤＣ電極などのように光導波路の近傍に配置される各種電極を含むものである。
【００１１】
請求項４に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調器において、該減衰手段は、該光導波路の入力側又は出力側の少なくとも一方の光導波路部分に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に係る発明では、請求項１又は２に記載の光変調器において、該減衰手段は、基板の表面又は裏面の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に係る発明では、請求項１乃至５のいずれかに記載の光変調器において、該薄板の厚みは、２０μｍ以下の部分を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明により、光導波路の近傍に、該光導波路を伝搬する光波の特定偏波面の光を吸収する光吸収性部材から構成されている減衰手段を配置するため、従来のように光導波路の真上に金属層を配置する場合と比較し、光導波路を伝搬する光波全体の減衰を抑制でき、特定の偏波のみを効率よく減衰させることが可能となる。また、光導波路の真上を避け、光導波路の近傍に減衰手段を配置しているため、光導波路、基板、減衰手段と異なる材質が混在し、各熱膨張率の差により基板が破損する危険性も抑制することが可能となる。
特に、基板に薄板を使用する際には、後述するように基板表面から特定偏波面の光波が滲み出す傾向にあるため、この滲み出して伝搬している光波を減衰手段を用いて吸収することが可能となる。
しかも、薄板を使用した場合には、制御用電極を構成する信号電極を伝搬するマイクロ波と、光導波路内を伝搬する光波との速度整合を図るため、従来のようなバッファ層を設ける必要が無いため、直接、基板の表面又は裏面に減衰手段を形成することができ、より効率的に特定の偏波を吸収することが可能となる。
【００１５】
請求項２に係る発明により、上記減衰手段は、複数の光吸収性部材から構成され、該光吸収性部材が光導波路を挟んで、該光導波路を伝搬する光波のモード径の０．５〜２倍の間隔で配置されているため、光導波路を伝搬する光波の特に縦方向（基板表面に垂直な方向）に偏波面を有するモード光を効率よく吸収し、横方向（基板表面に平行な方向）の偏波面を有するモード光の減衰を抑制することが可能となる。
【００１６】
請求項３に係る発明により、減衰手段は制御用電極の少なくとも一部からなるため、制御用電極を形成する際に、制御用電極の形状を調整するだけで容易に減衰手段が形成でき、製造工程の複雑化を抑制することが可能となる。また、制御用電極の少なくとも一部が減衰手段を兼ねているため、光変調器自身の短尺化が実現できる。
【００１７】
請求項４に係る発明により、減衰手段は、光導波路の入力側又は出力側の少なくとも一方の光導波路部分に形成されているため、光変調器に無偏波光が入射した場合でも、特定の偏波成分のみを有する光波を、光変調器から出力することが可能となる。
【００１８】
請求項５に係る発明により、減衰手段は、基板の表面又は裏面の少なくとも一方に形成されているため、減衰手段の設計の自由度が高くなると共に、薄板を使用するため、光導波路が形成されている面に対して反対側の基板面であっても、効率よく特定の偏波を減衰させることが可能となる。
【００１９】
請求項６に係る発明により、薄板の厚みは、２０μｍ以下の部分を有するため、特に２０μｍ以下の部分では、縦方向の偏波面の基板外への滲み出しが顕著となり、減衰手段により効率的に当該偏波を吸収することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図２は、２０μｍ以下の厚みを有する基板１である薄板を使用した場合に、該薄板に形成された光導波路３を伝搬する光波の状態を、模式的に図示したものである。
基板の厚みが薄くなるに従い、基板表面に平行な方向（横方向）に偏波面を有する光波６と、基板表面に垂直な方向（縦方向）に偏波面を有する光波７とは、図示するように光波の偏平度が異なり、各偏波面の光強度分布は図中の８（横方向の偏波面の強度分布）、及び９（縦方向の偏波面の強度分布）のように変化する。特に、縦方向の偏波面は、基板の厚みが薄くなるに従い、基板表面から滲み出す部分が多くなるという特性を有する。
【００２１】
本発明者らは、このような現象に着目し、基板の表面又は裏面に特定の偏波（特に縦方向の偏波面を有する光波）を吸収するための減衰手段を光導波路３の近傍に配置することにより、本発明を成すに至ったものである。
【００２２】
図３は、本発明に係る光変調器の実施例を示す図である。
図３（ａ）では、光変調器を構成する基板１の表面に光導波路３を形成すると共に、該基板の表面で、光導波路３の真上を除き、光導波路の近傍に減衰手段１０を配置している。
また、図３（ｂ）では、基板１の表面及び裏面に減衰手段１０及び１１を配置している。
【００２３】
減衰手段１０又は１１は、光導波路３を挟んで所定の間隔Ｌ又はＬ’で配置されている。当該間隔は、基板１の厚みや、光導波路３の形状や材質、また減衰手段の形状（光導波路に沿った長さや高さ）や材質などにも影響されるが、光波の光強度分布あるいは光波内の各偏波面の光強度分布に対し、最大強度が１／ｅ２に減衰する位置（Ｗ：半径）の光波のモード径（２Ｗ：直径）を基準に、０．５〜２倍の範囲で設定することが好ましい。
【００２４】
ＬをＷ（モード径の０．５倍）より小さい値とすると、縦方向の偏波だけでなく横方向の偏波まで吸収し、光波自体の強度が減少する結果となる。また、Ｌを４Ｗ（モード径の２倍）より大きな値とすると、縦方向の偏波を効果的に減少させることが困難となる。
また、図３（ｂ）の裏面に配置した減衰手段１１の間隔Ｌ’については、基板１の厚みが薄くなるにしたがい、基板1の裏面にも同様に縦方向の偏波面が滲み出す傾向にあることから、表面側の減衰手段１０の間隔Ｌと同様な条件が成り立つ。したがって、縦方向の偏波面の滲み出し具合に応じて、Ｌ’≦Ｌの関係で設定することができる。
【００２５】
さらに、減衰手段の配置は、図３（ａ）又は（ｂ）に限られるものではなく、図３（ａ）の減衰手段１０を片側のみ形成することや、図３（ｂ）の減衰手段１０及び１１の両方を片側のみとすることも可能である。片側のみに減衰手段を形成する場合には、例えば、図３（ａ）のように２つの減衰手段を配置した場合に必要な減衰手段の配置を決定し、その後、一方の減衰手段を除去した状態で、残りの減衰手段を片側のみに形成する。
【００２６】
基板１を構成する電気光学効果を有する材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。また、基板１としてはＸカット板又はＹカット板が好適に使用可能である。
【００２７】
減衰手段としては、金属膜などのように光吸収物質を使用して形成することが可能である。Ａｌなどを使用する場合には、予めフォトレジスト膜により所定のパターンの開口を形成し、該開口に蒸着する方法や、基板表面全体に蒸着後に所定領域を残して他の蒸着膜を除去する方法がある。また、光変調器の信号電極や接地電極、さらにはＤＣ電極などの制御用電極を形成する方法と同様に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成後、金メッキ方法により金属膜を形成する方法などがある。
また、減衰手段を複数の光吸収性部材で構成する際には、各部材を同じ材料で形成するだけでなく、必要に応じて異なる材料で構成することも可能である。
【００２８】
なお、光変調器の光導波路の形成方法としては、従来のようにＴｉなどを熱拡散法で基板表面に拡散させることにより形成することができる。
また、信号電極や接地電極などの制御用電極は、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。本発明では、基板１の表面に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設けない方が、好ましく。これにより、基板表面に滲み出す縦方向の偏波を効率よく減衰させることが可能となる。
【００２９】
光変調器を含む薄板の製造方法は、数百μｍの厚さを有する基板に上述した光導波路や制御用電極、さらには減衰手段（基板表面に形成する場合のみ）を作り込み、基板の裏面を研磨し、例えば、２０μｍ以下の厚みに仕上げる。光導波路又は制御用電極などの作り込みは、薄板を作成した後に行うことも可能である。ただし、光導波路形成時の熱的衝撃や各種処理時の薄膜の取り扱いによる機械的衝撃が加わりに、薄板が破損する危険性もあるため、このような衝撃が加わり易い処理工程は、基板を研磨する前に行うことが好ましい。なお、図３（ｂ）のように、基板１の裏面に減衰手段１１を形成する場合には、当然、基板１を薄板化した後、形成することとなる。
【００３０】
光導波路などを形成した薄板は、その後、薄板より機械的強度の高い補強板に接合される。
補強板に使用される材料としては、種々のものが利用可能であり、例えば、薄板と同様の材料を使用する他に、石英、ガラス、アルミナなどのように薄板より低誘電率の材料を使用したり、薄板と異なる結晶方位を有する材料を使用することも可能である。ただし、線膨張係数が薄板と同等である材料を選定することが、温度変化に対する光変調器の変調特性を安定させる上で好ましい。仮に、同等の材料の選定が困難である場合には、特許文献２のように薄板と補強板とを接合する接着剤に、薄板と同等な線膨張係数を有する材料を選定する。
【００３１】
薄板と補強板との接合には、接着層として、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、半田ガラス、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤シートなど、種々の接着材料を使用することが可能である。また、直接接合法により、接着剤を使用せず、薄板と補強板とを直接貼り合わせることも可能である。
【００３２】
図４は、本発明に係る光変調器の他の実施例である。
基板１にマッハツェンダー型導波路３を形成しており、該光導波路に対し記号Ａ乃至Ｄに記載されているように、各種の減衰手段を構成することが可能である。
Ａ又はＤにおいては、光導波路の入力側又は出力側に、光導波路３を挟む減衰手段を配置した例である。これにより、光導波路を伝搬する光波を、光変調器に入射した際、あるいは、光変調器から出射する際に、特定の偏波に整形することが可能となる。なお、２２及び２３は、光変調器に接続される入射用及び出射用光ファイバを示す。
【００３３】
Ｂ又はＣは、制御用電極である信号電極２０及び接地電極２１に、減衰手段を組み込んだものを示している。減衰手段においては、光導波路を挟むこれらの電極の間隔が、上述したように光のモード径２Ｗの０．５〜２倍になるように設定されている。このような減衰手段は、光変調器の製造工程における制御用電極の製造時に、制御電極の形状を調整するだけで、極めて容易に形成することが可能である。
図４においては制御用電極の一部に減衰手段を設けているが、図５に示すように制御用電極の作用部すべてを減衰手段Ｅ又はＦとすることにより、更に特定偏波面の吸収効果を高くすることが可能となる。
【実施例】
【００３４】
次に、本発明の光変調器に係る具体的な実施例及びその試験について説明する。
（実施例１）
薄板の光変調器は、基板に厚み５００μｍのＸカット型のＬＮ基板を使用し、Ｔｉ拡散プロセスなどにより、基板表面に直線状の光導波路（幅４μｍ）を形成する。次に、光導波路を挟んで両側に、メッキプロセスにてＡｕの金属膜を減衰手段として形成し、該減衰手段の間隔を光導波路を伝搬する光波のモード径の１．４倍（２０μｍ）とし、光導波路に沿った長さを２．１ｃｍとした。基板の裏面を、研磨機で基板の厚さが１０μｍとなるまで研磨し、紫外線硬化性接着剤を接着層として、補強板に貼り付けた。
【００３５】
（実施例２）
実施例１の減衰手段の間隔をモード径の２倍（３０μｍ）とする以外は、実施例１と同様に製作した。
【００３６】
実施例１及び２における偏波消光比を偏波コントローラーや光パワーメーターにより測定したところ、実施例１においては４．５ｄＢ、実施例２においては１．４ｄＢであった。
このことから、本発明の減衰手段が、縦方向の偏波面のモード光を効果的に減衰させていることが理解される。
【００３７】
（実施例３）
次に、薄板の光変調器として、実施例１と同様に、基板に厚み５００μｍのＸカット型のＬＮ基板を使用し、Ｔｉ拡散プロセスなどにより、基板表面に直線状の光導波路（幅４μｍ）を形成する。次に、光導波路を挟んで両側に、Ｔｉを蒸着後メッキプロセスにてＡｕの金属膜を減衰手段として形成し、該減衰手段の間隔を、光導波路を伝搬する光波のモード径の１〜３倍の範囲とし、光導波路に沿った長さを４．０ｃｍとして、複数の光変調器を作成した。なお、基板の裏面を、研磨機で基板の厚さが１０μｍとなるまで研磨し、紫外線硬化性接着剤を接着層として、補強板に貼り付けた。
【００３８】
実施例３で作成した複数の光変調器について、偏波消光比及び伝搬損失（ロス）を偏波コントローラーや光パワーメーターにより測定したところ、図６及び図７のグラフの結果となった。なお、図６は偏波消光比を表し、図７は伝搬損失を表す。また、２つのグラフの横軸は共に、光導波路を伝搬する光波のモード径（ＭＦＤ）に対する減衰手段となる電極の間隔（電極ｇａｐ）を示している。
また、図６、図7における点線は、実施例３の各測定値に対する近似曲線を示している。
【００３９】
図６の偏波消光比のグラフを見ると、電極間隔がＭＦＤに対して小さくなるにしたがい、偏波消光比が大きくなっていることが容易に理解される。一般に光変調器に必要な偏波消光比は７ｄＢ以上であり、図６のグラフより、電極ｇａｐ／ＭＦＤは２以下であることが好ましい。
また、図７により電極ｇａｐを小さくしていくと、偏波消光比は改善するが伝搬損失（ロス）が増加している。これは、縦方向の偏波だけでなく横方向の偏波まで吸収し、光波自体の強度が減少する結果となるためである。したがって、実用的な伝搬損失の限界（例えば、−１０ｄＢ程度）を考慮し、また光変調器の電極ｇａｐの製造限界なども考慮し、電極ｇａｐ／ＭＦＤは０．５以上であることが好ましい。より好ましくは、１以上であれば、特定の偏波を十分に減衰させることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上説明したように、本発明によれば、基板の厚みが２０μｍ以下の部分を含む薄板を使用した光変調器において、光変調器の生産性を劣化させず、光変調器内の光導波路を伝搬する光波から特定の偏波を選択可能な光変調器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の光変調器の偏波選択手段を示す図である。
【図２】薄板を用いた光変調器における偏波面毎の光強度分布状況を示す図である。
【図３】本発明に係る光変調器の第１の実施例を示す図である。
【図４】本発明に係る光変調器の第２の実施例を示す図である。
【図５】本発明に係る光変調器の第３の実施例を示す図である。
【図６】電極間隔とＭＦＤとの比に対する偏波消光比の変化を示すグラフである。
【図７】電極間隔とＭＦＤとの比に対する伝搬損失の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１  基板
２  偏光子
３  光導波路
４  金属膜
１０，１１  減衰手段
２０  信号電極
２１  接地電極
【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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【図７】
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