(57)【要約】【目的】本発明は導波路型光デバイスに関し、高速化及び使用温度範囲の拡大の両立が主な目的である。【構成】本発明による導波路型光デバイスは、電気光学効果を呈する材質から形成され光を導波するコア部４を有する導波路基板２と、コア部に電界を与えるために導波路基板上に設けられた電極２２，２４，２６とを備えた導波路型光デバイスである。この導波路型光デバイスは、電極が導波路基板の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する第１の部分と導波路基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第２の部分とを含む点で特徴付けられる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を呈する材質から形成され光を導波するコア部を有する導波路基板と、
前記コア部に電界を与えるために前記導波路基板上に設けられた電極とを備え、
前記電極は前記導波路基板の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する第１の部分と前記導波路基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第２の部分とを含むことを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項２】
前記第１及び第２の部分は前記導波路基板上に積層されていることを特徴とする請求項１記載の導波路型光デバイス。
【請求項３】
前記第１及び第２の部分の一方は他方を囲んでいることを特徴とする請求項１記載の導波路型光デバイス。
【請求項４】
前記導波路基板と前記電極の間に設けられた誘電体層を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の導波路型光デバイス。
【請求項５】
前記導波路基板はＬｉＮｂＯ３からなり、前記第２の部分の材質は金であり、前記第１の部分の材質は銀、アルミニウム及び銅からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の導波路型光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は導波路型光変調器等の導波路型光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬｉＮｂＯ３及びＬｉＴａＯ２等の電気光学効果を呈する導波路基板に比較的高屈折率なコア部を形成し、コア部に電界を印可するための電極を導波路基板上に形成してなる導波路型光デバイスが知られている。パターニング技術により直線状のコア部を形成すれば導波路型位相変調器が得られるし、マッハツェンダ干渉計として機能するようにコア部の形状を工夫すれば導波路型強度変調器が得られる。
【０００３】
マッハツェンダ型の強度変調器では、コア部は、一定強度の光が入力される入力導波路と、入力導波路の先端から２分岐するように形成された第１及び第２の平行導波路と、第１及び第２の平行導波路が合流する出力導波路とを含む。第１及び第２の平行導波路上にはそれぞれ第１及び第２の電極が形成されている。
【０００４】
第１及び第２の電極の間に予め定められた大きさの電圧を印可することによって、第１及び第２の平行導波路には互いに逆向きの電界が与えられ、第１及び第２の平行導波路の一方の屈折率が高くなると共に他方の屈折率が低くなる。その結果、第１及び第２の平行導波路に導波される光には位相差が生じ、位相差が生じた２つの光が出力導波路で合流するときに、位相差に応じた強度の出力光が得られることとなる。例えば、バイナリ入力信号の２値に対応させて位相差が零及びπになるような設定により、効率の良い強度変調を行うことができる。
【０００５】
変調信号がマイクロ波の領域にあるような高速変調に上述のマッハツェンダ型変調器を適用する場合、第１及び第２の電極は進行波型に構成される。即ち、第１及び第２の電極の一方を接地電極、他方を信号電極とし、これらの一端側を抵抗器で終端して他端側からマイクロ波としての変調信号を入力する。
【０００６】
電極の断面形状等を変化させることによりマイクロ波の実効屈折率を調節することができるので、光とマイクロ波の速度を整合させることによって、広帯域の光応答特性を得ることができる。
【０００７】
尚、関連する先行技術として、特開２００１−１３３６４１号に開示されている光導波路素子がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
進行波型電極において、光とマイクロ波の速度を整合させるために電極の断面形状を最適化しようとする場合、電極の厚みを１０μｍ以上にすることが要求されることがある。この場合、電極と導波路基板の線熱膨張率の差により温度変化があったときに生じる応力が大きくなり、動作点が不安定になったり、電極が導波路基板から剥離する等の問題が生じる。
【０００９】
このように、従来技術による場合、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることは困難であるという問題があった。
【００１０】
よって、本発明の目的は、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスを提供することである。本発明の他の目的は以下の説明から明らかになる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、電気光学効果を呈する材質から形成され光を導波するコア部を有する導波路基板と、コア部に電界を与えるために導波路基板上に設けられた電極とを備えた導波路型光デバイスが提供される。この導波路型光デバイスは、電極が導波路基板の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する第１の部分と導波路基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第２の部分とを含む点で特徴付けられる。
【００１２】
一般的に、導波路型光デバイスを提供するのに適切な電気光学効果を呈する導波路基板の熱膨張係数に対して、これに完全に一致する熱膨張係数を有し且つ電極を提供するのに適切な導電体を選択するのは困難である。
【００１３】
本発明の構成によると、導波路基板の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する第１の部分と導波路基板の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有する第２の部分とから電極を構成しているので、電極の見かけ上の熱膨張係数を導波路基板の熱膨張係数に一致させることができ、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスの提供が可能になる。
【００１４】
例えば、導波路基板はＬｉＮｂＯ３からなり、第２の部分の材質は金であり、第１の部分の材質は銀、アルミニウム及び銅からなる群から選択される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１は本発明による導波路型光デバイスの第１実施形態を示す平面図、図２はそのＩＩ−ＩＩ線断面図である。ここでは、導波路型光デバイスの一例としてマッハツェンダ型光変調器が示されている。
【００１７】
図１によく示されるように、この光変調器は、ＬｉＮｂＯ３及びＬｉＴａＯ２等の電気光学効果を呈する材質からなる導波路基板２と、導波路基板２の表面又は表面のごく近傍に形成されたコア部４と、コア部４に電界を加えるために導波路基板２上に形成された電極（２２，２４及び２６）とを備えている。
【００１８】
コア部４は、光入力ポート６に供給された光を伝搬させる入力導波路８と、Ｙ分岐１０にて入力導波路８に接続されＹ分岐１０で２等分された光を伝搬させる平行導波路１２及び１４と、平行導波路１２及び１４にＹ分岐１６にて接続されＹ分岐１６で合流された平行導波路１２及び１４からの光を伝搬させる出力導波路１８とを含む。出力導波路１８の出力端がこの光変調器の出力ポート２０となる。
【００１９】
平行導波路１２上には信号電極２２が設けられており、平行導波路１４上には接地電極２４が設けられている。また、信号電極２２の接地電極２４と反対の側にはもう一つの接地電極２６が設けられている。信号電極１２の一端には入力端子２８からの変調信号としてのマイクロ波が供給され、信号電極１２の他端は抵抗器３０により終端されている。
【００２０】
図２に示されるように、コア部４（図示された範囲では平行導波路１２及び１４）は、導波路基板２の表面近傍の部分を部分的に高屈折率にして形成されている。例えば、ｚ−ｃｕｔのＬｉＮｂＯ３からなる導波路基板２の表面にＴｉ（チタン）拡散あるいはプロトン交換により高屈折率部を形成することによって、コア部４を得ることができる。
【００２１】
導波路基板２上には、ＳｉＯ２等からなる誘電体層（バッファ層）３２が形成されている。誘電体層３２を設けているのは、これが無い場合にコア部４を伝搬する光が金属電極に吸収されて損失が大きくなるからであり、誘電体層３２の厚みは例えば０．２〜１．０μｍである。
【００２２】
誘電体層３２上には、接地電極２６、信号電極２２及び接地電極２４を形成すべき位置に誘電体層３２との密着性を良好にするために例えばＴｉからなる金属層３４，３６及び３８がそれぞれ形成されている。そして、金属層３４，３６及び３８上に蒸着やメッキにより多層構造の接地電極２６、信号電極２２及び接地電極２４がそれぞれ形成されている。金属層３４，３６及び３８の材質としてはＣｒを用いることもできる。
【００２３】
この実施形態では、接地電極２６、信号電極２２及び接地電極２４の各々は、Ａｇ（銀）層及びＡｕ（金）層をこの順に導波路基板２側から積層して構成されている。Ａｇ層及びＡｕ層を合わせた厚みは、進行波型における光とマイクロ波の速度整合を図るために、例えば数１０μｍに設定され、厚みの比は熱膨張係数に応じて設定される。具体的には次の通りである。
【００２４】
導波路基板２の材質としてのＬｉＮｂＯ３の熱膨張係数は１５．４×１０−６℃―１である。この熱膨張係数に完全に一致する同係数を有し且つ電極に適した金属材料を探すのは困難である。そこで、この実施形態では、ＬｉＮｂＯ３の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数（１４．１×１０−６℃−１）を有するＡｕ層とＬｉＮｂＯ３の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数（１９．２×１０−６℃−１）を有するＡｇ層とを積層することにより、電極全体の見かけ上の熱膨張係数を導波路基板２の熱膨張係数に一致させているのである。
【００２５】
これにより、電極の厚みを数１０μｍ以上の進行波型に適した所望の値に設定したとしても電極と導波路基板の熱膨張率の差に起因するトラブルが生じる恐れもなく、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスの提供が可能になる。
【００２６】
尚、ＬｉＮｂＯ３の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する金属としては、Ａｇの他にＡｌ（２３．２×１０−６℃−１）やＣｕ（１６．８×１０−６℃−１）がある。
【００２７】
この実施形態において、Ａｇ層をＡｕ層の下側に配置しているのは、電気化学的安定度が比較的低いＡｇ層の表出面積を最小限にして、電極の化学的安定度を増すためである。
【００２８】
図３は本発明による導波路型光デバイスの第２実施形態を示す断面図であり、その断面位置は図２と同様である。第１実施形態であると、信号電極２２並びに接地電極２４及び２６の各々が実質的に２層構造であることから、バイメタル効果により、温度変化があったときに各電極が湾曲する可能性がある。そこで、この実施形態では、信号電極２２並びに接地電極２４及び２６の各々が実質的に３層になるようにして、これを防止している。
【００２９】
即ち、この実施形態では、金属層３４，３６及び３８上にそれぞれＡｇ層、Ａｕ層及びＡｇ層をこの順に積層することによって、ＡｇとＡｕの熱膨張係数の差に起因する電極の湾曲を防止している。
【００３０】
この実施形態では、信号電極２２並びに接地電極２４及び２６の各々を実質的に３層にして電極の湾曲を防止しているが、４層以上の構造も採用可能である。また、種々の材質を選択してこれらを積層してもよい。
【００３１】
図４は本発明による導波路型光デバイスの第３実施形態を示す断面図であり、その断面位置は図２と同様である。
【００３２】
この実施形態では、電気化学的安定度が比較的低いＡｇ層の表出面積を零にして、電極の化学的安定度を増すために、信号電極２２並びに接地電極２４及び２６の各々は、２つのＡｇ層とこれらを囲むように形成されたＡｕ層とから構成されている。このような多層構造の電極は、例えば、複数回にわたるパターニングにより得ることができる。
【００３３】
このように、本実施形態によると、電極の表出部分が化学的に安定なＡｕ層となるので、電極の経時劣化を防止することができ、導波路型光デバイスの長期信頼性の確保が可能になる。
【００３４】
図５は本発明による導波路型光デバイスの第４実施形態を示す平面図である。この実施形態では直線状のコア部４´が設けられており、光位相変調器が提供されている。
【００３５】
信号電極２２はコア部４´上に設けられており、接地電極２４及び２６は、信号電極２２と共にコア部４´に効果的に電界を印可するように配置されている。マイクロ波の変調信号とコア部４´の伝搬光の速度整合がなされるように進行波型に構成されている点は、第１実施形態と同じである。
【００３６】
信号電極２２と接地電極２４及び２６によりコア部４´に電界を印可することによりコア部４´の屈折率が変化するので、これに応じてコア部４´を伝搬する光に関して位相変調がなされる。この位相変調においても、進行波型に構成された電極の断面形状が高速応答性に影響を与える点はこれまでの実施形態と同じであり、従って、本発明により特定構成の電極構造、例えば図２乃至図４に示された電極断面形状を採用することによって、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスの提供が可能になる。
【００３７】
尚、本発明を実施する場合の電極の厚みの目安であるが、適用される変調信号の周波数（ビットレート）、例えば１０ＧＨｚにおけるマイクロ波の表皮厚よりも電極の厚みを大きくすることが、高速動作性を確保する上で有効である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、変調速度の高速化と使用温度範囲の拡大とを両立させることができる導波路型光デバイスの提供が可能になるという効果が生じる。本発明の特定の実施形態により得られる効果については、以上説明した通りであるので、その説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による導波路型光デバイスの第１実施形態を示す平面図である。
【図２】図２は図１に示される導波路型光デバイスのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図３は本発明による導波路型光デバイスの第２実施形態を示す断面図である。
【図４】図４は本発明による導波路形光デバイスの第３実施形態を示す断面図である。
【図５】図５は本発明による導波路型光デバイスの第４実施形態を示す平面図である。
【符号の説明】
２    導波路基板
４，４´    コア部
６    入力ポート
８    入力導波路
１０，１６    Ｙ分岐
１２，１４    平行導波路
１８    出力導波路
２０    出力導波路
２２    信号電極
２４，２６    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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