(57)【要約】【課題】  帯域幅４０ＧＨｚを超えるような超高速の光変調特性を有し、かつ光配線等にも利用できる高感度で小型の光変調器。【解決手段】  垂直共振器面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０から出射したレーザ光１１は、光導波路１２の端部付近の側面に入射する。光導波路１２の端部は、研磨により４５度にテーパー加工されており、その研磨面上に光変調器１５が形成されている。光変調器は１次の電気光学効果を使ったファブリペロエタロン型変調器であり、厚くて透明な電気光学層はエアロゾルデポジション法を用いて成膜される。【選択図】      図１
2005284036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成したファブリペロ共振器型電気光学光変調器であって、
電気光学層と、前記電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを前記基板上に積層して有し、
周波数２００ＧＨｚ以下において、前記光変調器が形成するリアクタンスの絶対値が、該光変調器を駆動する駆動源のインピーダンスより高い、
ことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
基板上に形成したファブリペロ共振器型電気光学光変調器であって、
電気光学層と、前記電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを前記基板上に積層して有し、
前記電気光学層の有する１次の電気光学効果を利用する、
ことを特徴とする光変調器。
【請求項３】
前記電気光学層は、１次の電気光学効果を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項４】
前記電気光学層は、単結晶または焼結体である、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器。
【請求項５】
前記電気光学層は、成膜法によって形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器。
【請求項６】
前記電気光学層は、エアロゾルデポジション法によって成膜されている、
ことを特徴とする請求項５に記載の光変調器。
【請求項７】
前記電気光学層の組成は、ジルコン酸チタン酸鉛、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、またはＫＴＮ（タンタル・ニオブ酸カリウム）のいずれかである、
ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の光変調器。
【請求項８】
前記光変調器は、前記基板に配設された曲面上に形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光変調器。
【請求項９】
前記曲面は凹面である、
ことを特徴とする請求項８に記載の光変調器。
【請求項１０】
光源の出射光を光変調器によって変調して光導波路に導く変調光学系であって、
前記光変調器が、ファブリペロ共振器型電気光学光変調器であり、
電気光学層と、前記電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを前記基板上に積層して有し、
周波数２００ＧＨｚ以下において、前記光変調器が形成するリアクタンスの絶対値が、該光変調器を駆動する駆動源のインピーダンスより高い、
ことを特徴とする変調光学系。
【請求項１１】
光源の出射光を光変調器によって変調して光導波路に導く変調光学系であって、
前記光変調器が、ファブリペロ共振器型電気光学光変調器であり、
電気光学層と、前記電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを前記基板上に積層して有し、
前記電気光学層の有する１次の電気光学効果を利用する、
ことを特徴とする変調光学系。
【請求項１２】
請求項１０または１１いずれかに記載の変調光学系であって、
前記光導波路の端面は前記光導波路の光軸に対して斜面を成し、
前記光変調器は前記斜面に形成され、
前記光源は、前記出射光が前記光導波路の側面を透過して前記光変調器に入射するように配設されている、
ことを特徴とする変調光学系。
【請求項１３】
前記請求項１０または１１のいずれかに記載の変調光学系であって、
前記光導波路の端面は前記光導波路の光軸に対して垂直な面を成し、
前記光変調器は前記垂直面に形成され、
前記光源は、前記出射光が前記光変調器に垂直に入射するように配設されている、
ことを特徴とする変調光学系。
【請求項１４】
前記請求項１０または１１のいずれかに記載の変調光学系であって、
さらに、前記光源の出射光を前記光導波路の導波光に結合するレンズを備える、
ことを特徴とする変調光学系。
【請求項１５】
前記請求項１０または１１のいずれかに記載の変調光学系であって、
さらに、前記光源の出射光軸を前記光導波路の光軸へ変換する反射面を有する光変調器支持体を備え、
前記光変調器は、前記光変調器支持体の前記反射面に形成される、
ことを特徴とする変調光学系。
【請求項１６】
前記反射面は、凹面である、
ことを特徴とする前記請求項１５に記載の変調光学系。
【請求項１７】
前記凹面は、
前記光源の出射光を前記光導波路の導波光に集光するための曲率を有する、
ことを特徴とする前記請求項１６に記載の変調光学系。
【請求項１８】
基板と、前記基板面に垂直に出射光軸を有する光源と、前記基板面に平行な光軸を有する光導波路と、光変調器とを含む変調光学系を備えた光インタコネクト装置であって、
前記変調光学系は、請求項１２に記載の変調光学系である、
ことを特徴とする光インタコネクト装置。
【請求項１９】
基板と、前記基板面に垂直に出射光軸を有する光源と、前記基板面に平行な光軸を有する光導波路と、光変調器とを含む変調光学系を備えた光インタコネクト装置であって、
前記変調光学系は、請求項１５に記載の変調光学系である、
ことを特徴とする光インタコネクト装置。
【請求項２０】
基板と、前記基板面に垂直に出射光軸を有する光源と、前記基板面に平行な光軸を有する光導波路と、光変調器とを含む変調光学系を備えた光通信装置であって、
前記変調光学系は、請求項１２に記載の変調光学系である、
ことを特徴とする光通信装置。
【請求項２１】
基板と、前記基板面に垂直に出射光軸を有する光源と、前記基板面に平行な光軸を有する光導波路と、光変調器とを含む変調光学系を備えた光通信装置であって、
前記変調光学系は、請求項１５に記載の変調光学系である、
ことを特徴とする光通信装置。
【請求項２２】
基板上に形成したファブリペロ共振器型電気光学光変調器の製造方法において、
電気光学層と、前記電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを前記基板上に積層する工程と、
周波数２００ＧＨｚ以下において、前記光変調器が形成するリアクタンスの絶対値が、該光変調器を駆動する駆動源のインピーダンスより高くなるように、前記電気光学層の厚さを定める工程
を含むことを特徴とする光変調器の製造方法。
【請求項２３】
基板上に形成したファブリペロ共振器型電気光学光変調器の製造方法において、
電気光学層と、前記電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを前記基板上に積層する工程と、
前記電気光学層の有する１次の電気光学効果を発現させる工程、
を含むことを特徴とする光変調器の製造方法。
【請求項２４】
前記電気光学層は、単結晶または焼結体である、
ことを特徴とする請求項２２または２３のいずれかに記載の光変調器の製造方法。
【請求項２５】
前記電気光学層は、成膜法によって形成されている、
ことを特徴とする２２または２３のいずれかに記載の光変調器の製造方法。
【請求項２６】
前記電気光学層は、エアロゾルデポジション法によって成膜されている、
ことを特徴とする請求項２５に記載の光変調器の製造方法。
【請求項２７】
前記電気光学層の組成は、ジルコン酸チタン酸鉛、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛である、
ことを特徴とする請求項２４乃至２６のいずれかに記載の光変調器の製造方法。
【請求項２８】
前記光変調器は、前記基板に配設された曲面上に形成されている、
ことを特徴とする請求項２２乃至２７のいずれかに記載の光変調器の製造方法。
【請求項２９】
前記曲面は凹面である、
ことを特徴とする請求項２８に記載の光変調器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調器、とくに光源である半導体レーザ光を高速に変調して送信する、高速・大容量の光通信や光インターコネクション用光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信網は、大容量の通信を可能にしたが、識者によると国内の通信インフラは、データ通信量の急増により容量不足に陥り、早ければ５年以内にパンクするという見方が出ている。容量不足の傾向を加速しているのが、高品質動画を含むブロードバンド通信や携帯電話通信の普及といわれている。
現在ＩＰ（インタネットプロトコル）対応の通信プロトコルとしてイーサネット（登録商標）が広く用いられているが、現在の通信速度は１０Ｇｂｐｓの実用化が開始されたばかりである。長長距離ではないが通信トラフィックの大きい都市間（メトロ）通信等では、４０Ｇｂｐｓ以上の技術の開発が急がれている。
光送信機における光の変調は、現在光源である半導体レーザ（ＬＤ）の電流直接変調の方式が構成簡便であることから広く採用されている。長長距離伝送を行う海底光ケーブル通信では、ＬＤの直接変調による送信光のチャーピングが光ファイバのもつ群速度分散を介して波形劣化を生じさせることから、外部光変調器が用いられている。
変調周波数が１０ＧＨｚを超えると、多くの光部品に性能不足が起こってくる。ＬＤの直接変調では、注入キャリヤ密度の時間変化に遅れが生じ、緩和振動周波数以上での変調が困難になる。強誘電体結晶を用いた外部光変調器では、素子のインピーダンスが低下し、駆動源の出力インピーダンスに整合を取ることが難しくなり、十分な変調特性が得られなくなる。
一方、デジタル信号を処理する電子回路やＬＳＩにおいても、高速になるととくに回路間、チップ間の信号伝送が金属配線では困難になり、光配線や光インターコネクション等の新たな技術の開発が急がれている。ここでは、多数の光素子を収容することから速度性能に加えて小型であることが必須要件となる。
したがって、４０Ｇｂｐｓ超の光通信技術や光配線技術を可能にする一つの鍵は、小型低コストの光変調器を実現することにあるといっても過言ではない。            
光変調器で現在最も実用的なもののひとつはマッハツェンダー(Mach Zehnder)型の導波路光変調器である。この光変調器は、Ｙ分岐されて２つのアームを伝搬する導波路光に電気光学効果によって位相差を与え、再びＹ分岐によって合流した時、与える位相差に応じて合流光の強度が変調するものである。導波路には、強誘電体ニオブ酸リチウム電気光学結晶のＴｉ熱拡散導波路が用いられる。
光半導体結晶への逆バイアス印加による電界光吸収効果（Electro Absorption Effect）
（フランツ・ケルディッシュ効果(Frantz=Keldisch Effect)）や量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ:Quantum Confined Schutark Effect）を利用した集中型の光変調器は、端面発光型の分布帰還型ＬＤとモノリシック集積した高級な光通信用光変調器として実用されている。
【０００３】
一方、面型構成のファブリ・ペロ・エタロン(Fabry=Perot Ethalon)共振器の光路長（ｎ・ｄ、、ｎ：屈折率、ｄ：幾何学的厚さ）を能動的に変化させて繰り返し多重反射干渉による波長の掃引やフィルタの透過波長を制御することが古くから行われている。入射光の波長が固定であれば、この動作は光変調器動作となる。
このような例のひとつとして、特許文献１に見られる光半導体材料を使った可変波長フィルタがある。多層量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）層を高反射膜で挟んで波長フィルタを構成し、反射膜間に電界を印加して、ＭＱＷ層の屈折率を変化させ、フィルタ透過波長を可変するものである。また、電流注入によるキャリヤプラズマ効果(Carrier Plasma Effect)やバンドフィリング効果(Band Filling Effect)を介した屈折率変化を利用することも記載されている。
さらに、透明な誘電体材料を使った別なる可変波長フィルタの例が特許文献２に開示されている。石英ガラス基板に、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の誘電体多層光反射膜と、厚さ２００〜３００ｎｍ程度の電気光学効果を有するＰＬＺＴ（Ｌａ添加のジルコン酸チタン酸鉛： La;Doped Oxide Zirconium, Oxide Titanium and Oxide Lead Compound）の多結晶膜と、前出と同じ誘電体多層膜とをスパッタ法によって順次成膜し、エタロン共振器を構成したものである。反射膜間に電圧を印加し、２次の電気光学効果（カー効果:Kerr Effect）と推定される屈折率変化を利用してフィルタ透過波長を制御している。
この素子では、強誘電膜を厚く形成して電圧感度を上げることが難しい。一方、強誘電体膜の成膜法としては、スパッタ法以外にもＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法や蒸着法やゾルゲル(Sol・Gel)法などの他に、近年特許文献３に複合構造物の作製方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平０１−１３６１１６号公報（第３−４頁、図４）
【特許文献２】特開昭６１−０８８２２９号公報（第２−３頁、図１−３）
【特許文献３】特開２００２−２３５１８１号公報（第１６頁、図１１、図１３−１４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術の光変調器では、これらを４０Ｇｂｐｓ超の光通信技術や光配線技術に適用するためには、その要件である、高速、低駆動電圧、小型、アレー化可能、低コストを揃って有してはいない。
強誘電体ニオブ酸リチウム電気光学結晶のＴｉ熱拡散導波路を用いたマッハツェンダー型の光変調器では、導波路の比屈折率差が小さく、導波路分岐角度が小さく、素子サイズが数ｃｍ台と長い。また材料の持つ電気光学定数も小さいため駆動電圧も高い。また、変調信号を印加する進行波電極の特性インピーダンスを駆動源に合わせにくく、２０ＧＨｚでの動作が限界である。
光半導体結晶への逆バイアス印加による電界光吸収効果や量子閉じ込めシュタルク効果を利用した集中型の光変調器は、高度で複雑な化合物半導体結晶技術やリソグラフィー技術を必要とし、製作コストの点から高価であり、多素子のアレー状に構成できることがしばしば求められる光配線等への利用には適さない。
光半導体の多層量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）層を高反射膜で挟んで波長フィルタを構成し、フィルタ透過波長を可変するタイプの特許文献１の光変調素子は、基板が結晶成長層に格子整合する結晶に限定されかつ高度な装置に基づく結晶育成技術を必要とするため高コストである。また、ＭＱＷ層は厚く形成するのが難しいため感度が低い。また、透過波長に近い基礎吸収端の電界印加によるレッドシフトを利用するため、屈折率変化と同時に光吸収の変化も同時に起こり、必然的に光挿入損失の高い素子にならざるを得ない。また、キャリヤ注入によるブルーシフトを利用すると、同時に起こる光吸収変化に加えて制御しようとする光への自然放出光等の雑音光の混入を招く。従って、この技術は光変調器や可変波長フィルタ等の光制御素子に利用するには実効性のある技術とは言えない。
【０００６】
石英ガラス基板に電気光学効果を有するＰＬＺＴによってエタロン共振器を構成した特許文献２の光変調素子では、強誘電膜を厚く形成して電圧感度を上げることが難しい。また、厚くすると膜品質が下がり光散乱が増大して、光の空間的コヒーレンスが悪くなり光損失が増大する。また、カー効果を利用していると推定されるため、電圧−光透過特性にヒステリシスが生じて制御性が悪い等の問題を有する。特許文献２で強誘電体の成膜方法に用いているスパッタ法では、光学的に良質の膜が得られる厚さはせいぜい２μｍ以内である。また、強誘電体膜の成膜法として特許文献３に開示されている作製方法でも、光学的に膜品質の高い厚い膜を得るには至っていない。
このように従来の電気光学膜の成膜方法では、エタロン共振器型光変調器を高インピーダンス化し、低電圧化するのに必要な従来の厚さの５倍以上の厚さの膜を光学的に高品質に形成するのは困難である。
従って本発明は、上記のような従来の光変調器の有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、駆動源とのインピーダンス整合が取り易く４０Ｇｂｐｓを超えるような超高速かつ低電圧の光変調特性を有し、かつ光配線等にも利用できる高感度で小型の光変調器とその製造方法並びに変調光学系とこれを用いた光インタコネクト装置並びに光通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、光変調器の超高周波でかつ低電圧での動作を実現するためには、上記の高周波における素子のインピーダンスを駆動源のインピーダンスより高くすることが有効であるという識見に基づいてなされたものであり、  なおかつ低電圧での動作を実現するための基本思想として、電気光学層の厚膜化を図ることを旨とする。
本発明の光変調器は、基板上に形成したファブリペロ共振器型電気光学光変調器であって、電気光学層と、電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを基板上に積層して有し、周波数２００ＧＨｚ以下において、光変調器が形成するリアクタンスの絶対値が、該光変調器を駆動する駆動源のインピーダンスより高いことを特徴とする。
この構成では、容量性負荷である光変調器のインピーダンスが高周波においても高いので、高周波の変調に駆動部の出力電圧が追随して応答できる。したがって、電気光学層の屈折率変化も高速変調が可能となる。
電気光学層は、１次の電気光学効果を有する。
また、本発明の光変調器は、基板上に形成したファブリペロ共振器型電気光学光変調器であって、電気光学層と、電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを基板上に積層して有し、電気光学層の有する１次の電気光学効果を利用することを特徴とする。
電気光学層は、単結晶または焼結体であってもよい。
また電気光学層は、成膜法によって形成されていてもよく、
電気光学層は、エアロゾルデポジション法によって成膜されていてもよい。
エアロゾルデポジションは数μｍ以上の膜厚を成膜することができるので、電気光学層を厚膜化でき、この結果、光変調素子の駆動電圧を下げ、容量を低下させてインピーダンスを高めることができる。
電気光学層の組成は、ジルコン酸チタン酸鉛、またはランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、またはＫＴＮ（タンタル・ニオブ酸カリウム）のいずれかであるである。
光変調器は、基板に配設された曲面上に形成されている。
曲面は凹面である。
【０００８】
また、本発明の変調光学系は、光源の出射光を光変調器によって変調して光導波路に導く変調光学系であって、光変調器が、ファブリペロ共振器型電気光学光変調器であり、電気光学層と、電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを基板上に積層して有し、周波数２００ＧＨｚ以下において、光変調器が形成するリアクタンスの絶対値が、該光変調器を駆動する駆動源のインピーダンスより高いことを特徴とする。
また、本発明の変調光学系は、光源の出射光を光変調器によって変調して光導波路に導く変調光学系であって、光変調器が、ファブリペロ共振器型電気光学光変調器であり、電気光学層と、電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを基板上に積層して有し、電気光学層の有する１次の電気光学効果を利用することを特徴とする。
光導波路の端面は光導波路の光軸に対して斜面を成し、光変調器は斜面に形成され、光源は、出射光が光導波路の側面を透過して光変調器に入射するように配設されていてもよい。
光導波路の端面は光導波路の光軸に対して垂直な面を成し、光変調器は垂直面に形成され、光源は、出射光が光変調器に垂直に入射するように配設されていてもよい。
さらに、光源の出射光を光導波路の導波光に結合するレンズを備えていてもよい。
さらに、光源の出射光軸を光導波路の光軸へ変換する反射面を有する光変調器支持体を備え、光変調器は、光変調器支持体の反射面に形成されていてもよい。
反射面は、凹面であってもよい。
凹面は、光源の出射光を光導波路の導波光に集光するための曲率を有してもよい。
【０００９】
また、本発明の光インタコネクト装置は、基板と、基板面に垂直に出射光軸を有する光源と、基板面に平行な光軸を有する光導波路と、光変調器とを含む変調光学系を備えた光インタコネクト装置であって、変調光学系は、光導波路の端面が光導波路の光軸に対して斜面を成し、光変調器は斜面に形成され、光源は、出射光が光導波路の側面を透過して光変調器に入射するように配設されていることを特徴とする。
また、本発明の光インタコネクト装置は、基板と、基板面に垂直に出射光軸を有する光源と、基板面に平行な光軸を有する光導波路と、光変調器とを含む変調光学系を備えた光インタコネクト装置であって、変調光学系は、光源の出射光軸を光導波路の光軸へ変換する反射面を有する光変調器支持体を備え、光変調器は、光変調器支持体の反射面に形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光通信装置は、基板と、基板面に垂直に出射光軸を有する光源と、基板面に平行な光軸を有する光導波路と、光変調器とを含む変調光学系を備えた光インタコネクト装置であって、変調光学系は、光導波路の端面が光導波路の光軸に対して斜面を成し、光変調器は斜面に形成され、光源は、出射光が光導波路の側面を透過して光変調器に入射するように配設されていることを特徴とする。
また、本発明の光通信装置は、基板と、基板面に垂直に出射光軸を有する光源と、基板面に平行な光軸を有する光導波路と、光変調器とを含む変調光学系を備えた光インタコネクト装置であって、変調光学系は、光源の出射光軸を光導波路の光軸へ変換する反射面を有する光変調器支持体を備え、光変調器は、光変調器支持体の反射面に形成されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の光変調器の製造方法は、基板上に成膜法によって形成したファブリペロ共振器型電気光学光変調器において、下部の電極層と下部の反射層と電気光学層と上部の反射層と上部の電極層とをこの順に基板上に積層する工程と、周波数２００ＧＨｚ以下において、光変調器が形成するリアクタンスの絶対値が、該光変調器を駆動する駆動源のインピーダンスより高くなるように、電気光学層の厚さを定める工程を含むことを特徴とする。
電気光学層は、１次の電気光学効果を有する。
また、本発明の光変調器の製造方法は、基板上に形成したファブリペロ共振器型電気光学光変調器において、電気光学層と、電気光学層を上下に挟む下部の電極層と下部の反射層と上部の反射層と上部の電極層とを基板上に積層する工程と、電気光学層の有する１次の電気光学効果を発現させる工程を含むことを特徴とする。
電気光学層は、単結晶または焼結体であってもよい。
電気光学層は、成膜法によって形成されていてもよい。
電気光学層は、エアロゾルデポジション法によって成膜される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、超高速の光変調特性を有し、かつ光配線等にも利用できる高感度で小型の光変調器とその製造方法並びに変調光学系とこれを用いた光インタコネクト装置並びに光通信装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１に本発明の光変調器を備えた変調光学系の第１の実施形態の構成を示す。垂直共振器面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertically Confined Surface Emitting Laser）１０から出射したレーザ光１１は、光導波路１２の端部付近の側面に入射する。光導波路１２は、コア層１３とそれを囲むクラッド層１４より構成されている。光導波路１２の端部は、研磨により４５度にテーパー加工されており、その研磨面上に光変調器１５が形成されている。光変調器１５は、反射光が光導波路１２のコア層１４に入射される位置に設置されている。
光変調器１５はファブリペロ共振器を構成している。光変調器１５に入射した光は変調器内で繰り返し多重反射干渉し、光変調器内の光路長（ｎ・ｄ、ｎ：屈折率、ｄ：幾何学的厚さ）によって、直進透過光と９０度反射光の強度比が変化する。光変調器１５に電圧を印加しない状態では、ＶＣＳＥＬ１０が発振する波長の入射レーザ光は直進透過光の強度が１、９０度反射光が０となるようにｎ・ｄが設定されている。光変調器１５に電圧を印加すると、電気光学効果によって屈折率ｎが変化して、入射レーザ光は直進透過光の強度が０、９０度反射光が１となり、入射光は全て光導波路１２のコアに導入される。この動作によって導波路１２のレーザ光の入力をオン・オフすることができる。光変調器の光路長の設定によって、電圧を印加しないときに９０度反射光を１と設定することも含めて、光学的バイアスは任意に設定することができる。
レーザ光１１の光導波路１２への結合効率を高めるためには、光導波路１２の側面の光透過面に反射防止膜を形成することが望ましい。また必要に応じて、集光レンズをＶＣＳＥＬ１０と光変調器１５の間に設けることができる。
また、本実施例では、光導波路１２の端部に光変調器１５を形成したが、光ファイバの端部をテーパー加工し、光変調器１５を形成することも可能である。また、光源はＶＣＳＥＬだけではなく、端面発光レーザ、ＬＥＤ等も可能である。
［光変調器の第１の実施例］
図２に本発明の光変調器の第１の実施例である光変調器１５の断面構造を示し、該光変調器の製作方法を記す。
ＶＣＳＥＬのレーザ波長で透明度の高いＩＴＯ薄膜をスパッタ法により成膜し、下部電極層２０とした。ＩＴＯ薄膜はＩｎ２Ｏ３−Ｓｎ０２（１０ｗｔ％）をターゲットとし、アルゴンと酸素の混合ガスをスパッタガスとして成膜した。基板温度は２５０℃であり、膜厚は２３５ｎｍとした。ＩＴＯ以外にも透明電極としては、用いるレーザの波長で透明なＺｎＯ等の電気抵抗の低い材料を用いることができる。いずれの場合も、成膜条件や組成を制御し、キャリヤ濃度をコントロールすることで、使用波長における透過率を高め、電気抵抗を下げることが重要である。
下部電極層２０上に誘電体多層反射層２１をイオンプレーティング法で形成した。下部誘電体多層反射層２１は、ＳｉＯ２膜３０３ｎｍとＴａ２Ｏ５膜１８６ｎｍを繰り返し成膜することにより構成されている。成膜中にモニターの光学スペクトルを測定しながら、蒸着源上のシャッターを開閉することで、膜厚の制御を行った。
下部誘電体多層反射層２１上には、下部中間層２２をイオンプレーティング法で形成した。下部中間層２２は、電気光学層２３の成膜時に形成される界面ラフネスによる光散乱の影響を低減する目的があり、２０ｎｍ以上の膜厚が必要とされる。本実施例では、膜厚は１００ｎｍとした。
また、下部中間層２２と電気光学層２３の界面のフレネル反射を防止するため、下部中間層２２は電気光学層２３に近いもしくは等しい屈折率を有する必要がある。本実施例ではＴａ２Ｏ５より構成される。
電気光学層２３は、超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して粉砕、接合させ成形体を形成するエアロゾルデポジション法により形成した。膜厚は６０００ｎｍである。Ｐｂ（Ｚｒ０．６Ｔｉ０．４）０３を原料粉末とし、キャリヤガスは窒素、ノズルと基板の入射角は１０度、ガス流量１２リットル／分、ノズル基板間距離は５ｍｍ、成膜速度は０．８μｍ／ｍｉｎ、加振器の振動数は２５０ｒｐｍで成膜した。
成膜後、大気中で１００ｋＶ／ｃｍ程度の電界印加の下、６００℃１５分間程度熱処理することで電気光学層２３の線形な電気光学効果を発現させた。一次電気光学係数ｒ３３は２００ｐｍ／Ｖであった。
熱処理後、電気光学層２３の膜表面の凹凸を除去するために、膜厚５４００ｎｍまで研磨し、平坦化した。
平坦化した電気光学層２３上に上部中間層２４をイオンプレーティング法で成膜した。上部中間層２４は、ファブリペロ共振器を構成する上で必要な反射層間の光学膜厚、つまり下部中間層２２、電気光学層２３および上部中間層２４の光学的な膜厚の総和を調整する目的があり、成膜中にモニターの光学スペクトルを測定しながら所定の膜厚まで成膜することで形成した。上部中間層２４と電気光学層２３の界面のフレネル反射を防止するため、上部中間層２４は電気光学層２３に近いもしくは等しい屈折率を有する必要があり、本実施例ではＴａ２Ｏ５より構成され、８０ｎｍ積層し、ファブリペロ共振器を形成した。
上部中間層２４上に上部誘電体多層反射層２５をイオンプレーティング法で形成した。上部誘電体多層反射層２５は、ＳｉＯ２膜３０３ｎｍとＴａ２Ｏ５膜１８６ｎｍの繰り返しにより構成され、成膜中にモニターの光学スペクトルを測定しながら、蒸着源上のシャッターを開閉することで、膜厚の制御を行った。
上部誘電体多層反射層２５上にＩＴＯ薄膜をスパッタ法により成膜し、上部電極層２６とした。膜厚は２３５ｎｍである。成膜条件等は下部電極層２０と同等である。
上記の説明では電気光学層の組成をＰｂ（Ｚｒ０．６Ｔｉ０．４）０３の場合を説明したが、この組成に限定されるものではなく、例えばＬａを添加した組成であっても良い。
また、ジルコン酸チタン酸鉛系の材料以外にも、電気光学効果の大きいＫＴＮ（ＫＴａＮｂＯ３）やＢａＴｉＯ３等も有効な材料である。また、これらに限らず高い電気光学特性を有するものであればよい。
【００１５】
図３は光変調器の平面図である。光変調器１５を高速変調するためには電気容量を小さくする必要があり、電極の寸法は入射レーザ光１１径に合わせた最小寸法にすることが望ましい。本実施例では、上透明電極３０、下透明電極３６の寸法は直径３０μｍとし、そこから相反する方向に電極への配線パターンを形成した。電極形成にはリフトオフ法を用いた。光学露光法でレジストマスクを形成後、スパッタ法でＩＴＯ膜を形成した。
また、高速変調には電極配線の電気抵抗を低減する必要があり、低電気抵抗のＣｕを透明電極配線上に厚付けした。厚さは１μｍである。この厚付け金属にはＡｕ、Ａｌ等の低抵抗金属を使うことができる。
【００１６】
本発明では、電気光学層の成膜にエアロゾルデポジション法を用いていることも発明の特徴のひとつである。その理由は以下による。
発明の背景と発明が解決しようとする課題の記載に縷々説明したように、本発明の目的の一つは、動作周波数４０ＧＨｚを超える超高速の光変調器を提供することにある。超高周波まで変調周波数特性が良好で小型の光変調器を実現するためには、駆動源とのインピーダンス整合の取りやすい点で、分布定数型の負荷よりも集中定数型の負荷のほうが望ましい。本発明の電気光学光変調器は容量性の集中定数型負荷である。駆動周波数と駆動源の出力インピーダンスからこれに整合させるための最適容量が決まる。容量は、電極面積と電極間の媒質の持つ誘電率（上記の組成のＰＺＴでは比誘電率は１００）と厚さによって定まる。上述のように最小電極面積は光変調器への入射レーザビーム径によって直径３０μｍと定めた。これから電気光学層の厚さは、前述の如く６μｍとなり、容量は０．１６ｐＦとなる。これによって４０ＧＨｚでの負荷のリアクタンスの絶対値は、駆動源のインピーダンス５０Ωにほぼ整合する。
６μｍもの厚い強誘電体透明膜を任意の組成の誘電体基板上や金属基板上や半導体基板上やプラスチックや高分子を含む樹脂基板上に実現できるのは、現在の技術ではスパッタ法でもゾル・ゲル法でも不可能であり、ただエアロゾルデポジション法でのみ可能である。この成膜法によれば６μｍよりさらに厚く成膜することが可能であって、動作周波数を更に高め２００ＧＨｚを超えて動作する光変調器を作成することも可能である。
【００１７】
図４に、本実施例で作製した光変調器１５の反射率の印加電圧依存性を示す。横軸は電圧、縦軸は反射率である。電圧の増加に伴い、反射率は増加し、１０Ｖの印加で１０ｄＢ程度の変調度を得ることができた。
［光変調器の第２の実施例］
図５に本発明の光変調器の第２の実施例の構成図を示す。第１の実施例の光変調器と同じくファブリペロ共振器を構成するが、上部の反射膜と電極膜を半透明金属膜５５で兼用している点が異なる。
下部電極層５０、下部誘電体多層反射層５１、下部中間層５２、電気光学層５３、上部中間層５４までの構成と製造方法は、実施例１と同様である。半透明金属膜５５は、Ｔｉ／Ａｕの２層構成よりなる。スパッタ法によりＴｉを３ｎｍ成膜後、Ａｕを１５ｎｍ成膜し、半透明金属膜５５とした。ＴｉはＡｕ膜の付着層としての機能を持つ。
図６に本実施例で作製した光変調器の反射率の印加電圧依存性を示す。横軸は電圧、縦軸は反射率である。電圧の増加に伴い、反射率は増加し、１０Ｖの印加で６ｄＢ程度の変調度を得ることができた。実施例２は、実施例１よりも変調度は低いが、構造が簡単なため安価に製造できる特徴がある。
［光変調器の第３の実施例］
図７に光変調器の第３の実施例の断面構成図を示す。第１の実施例の光変調器と同じくファブリペロ共振器を構成するが、下部と上部の反射膜と電極膜をともに半透明金属膜７０、７４で兼用している点が異なる。
下部中間層７１、電気光学層７２、上部中間層７３までの構成と製造方法は、第１の実施例の光変調器と同様である。下部半透明金属膜７０はＴｉ／Ａｕ／Ｔｉの３層よりなり、スパッタにより形成した。膜厚はＴｉ３ｎｍ、Ａｕ６ｎｍ、Ｔｉ３ｎｍである。ＴｉはＡｕ膜の付着層としての機能を持つ。上部半透明金属膜７４は、Ｔｉ／Ａｕの２層構成よりなる。スパッタ法によりＴｉを３ｎｍ成膜後、Ａｕを１２ｎｍ成膜し、半透明金属膜５５とした。
【００１８】
図８に本実施例で作製した光変調器の反射率の印加電圧依存性を示す。横軸は電圧、縦軸は反射率である。電圧の増加に伴い、反射率は増加し、１０Ｖの印加で４ｄＢ程度の変調度を得ることができた。実施例３は、実施例１、２よりも変調度は低いが、構造が簡単なため安価に製造できる特徴がある。
【００１９】
下部中間層の効果を明確にするために、その膜厚を変えた試料を作製し、透過光スペクトルを測定した。
試料構成はガラス基板／Ｔｉ（３ｎｍ）／Ａｕ（２０ｎｍ）／Ｔｉ（３ｎｍ）／Ｔａ２Ｏ５（Ｘ  ｎｍ）／  Ｐｂ（Ｚｒ０．６Ｔｉ０．４）０３である。Ｔｉ（３ｎｍ）／Ａｕ２０ｎｍ）／Ｔｉ（３ｎｍ）／Ｔａ２Ｏ５（Ｘ  ｎｍ）の成膜はスパッタ法により行い、Ｐｂ（Ｚｒ０．６Ｔｉ０．４）０３は、第１の実施例と同様のエアロゾルデポジション法で作製した。
図９に、Ｘ＝１０ｎｍと２０ｎｍの試料の透過スペクトルを示す。下部中間層２０ｎｍの９０では、光学干渉による振動が明確に観測されるが、下部中間層１０ｎｍの９１では、光学干渉による振動は明確ではない。したがって、共振器を構成するためには下部中間層として、２０ｎｍ以上の膜厚が必要である。
【００２０】
エアロゾルデポジション法で作成した電気光学層の研磨の効果を明確にするために、研磨の有無による透過光スペクトルの変化を測定した。
試料構成はガラス基板／Ｔｉ（３ｎｍ）／Ａｕ（２０ｎｍ）／Ｔｉ（３ｎｍ）／Ｔａ２Ｏ５（５０ｎｍ）／  Ｐｂ（Ｚｒ０．６Ｔｉ０．４）０３である。Ｔｉ（３ｎｍ）／Ａｕ（２０ｎｍ）／  Ｔｉ（３ｎｍ）／Ｔａ２Ｏ５（５０ｎｍ）の成膜はスパッタ法により行い、Ｐｂ（Ｚｒ０．６Ｔｉ０．４）０３は、第１の実施例と同様のエアロゾルデポジション法で作製した。
図１０に、試料の透過スペクトルを示す。研磨した１００では、光学干渉による振動が明確に観測されるが、研磨していない１０１では、光学干渉による振動は明確ではない。したがって、共振器を構成するためには、エアロゾルデポジション法で作成した電気光学層の研磨が必要である。
［光変調器の第４の実施例］
図１１に本発明の光変調器の第４の実施例の断面構成図を示す。第１の実施例と同じくファブリペロ共振器を構成するが、電気光学層１１３がバルクセラッミクスの薄層よりなる点が異なる。
まず、導波路端面上に接着層１１０を形成する。接着層１１０はエポキシ系樹脂よりなり、その屈折率が導波路形成材料と同じ材料を用いた。下部電極層１１１、下部誘電体多層反射層１１２はあらかじめバルクセラッミクスの薄層よりなる電気光学層１１３上に形成した。下部電極層１１１と下部誘電体多層反射層１１２の構成と製造方法は、第１の実施例と同様である。電気光学層１１３には、（Ｐｂ０．９１Ｌａ０．０９）（Ｚｒ０．６５Ｔｉ０．３５）０３のセラッミクスを研磨で１０μｍの厚さに薄層化した材料を用いた。下部電極層１１１と下部誘電体多層反射層１１２を形成した電気光学層１１３を接着層１１０に平行度をとりながら接着した。その後電気光学層１１３上に上部中間層１１４をイオンプレーティング法で成膜した。上部中間層１１４は、ファブリペロ共振器を構成する上で必要な反射層間の光学膜厚、つまり電気光学層１１３および上部中間層１１４の光学的な膜厚の総和を調整する目的があり、成膜中にモニターの光学スペクトルを測定しながら所定の膜厚まで成膜することで形成した。本実施例では５８ｎｍ積層し、ファブリペロ共振器を形成した。上部中間層１１４上に上部誘電体多層反射層１１５と上部電極層１１６を形成した。その構成と製造方法は、実施例１と同様であるが、上部電極層１１６成膜時の温度は１５０℃とした。
本実施例で作製した光変調器に電圧を印加したところ、５Ｖの印加で７ｄＢの変調度を得ることができた。本実施例は、バルクセラミックスを用いるため製造工程は複雑になるが、高温熱処理過程がないため、高温プロセスが適用できないデバイスや電気―光集積回路との複合化に適している。
【実施例２】
【００２１】
図１２に本発明の変調光学系の第２の実施形態の構成を示す。垂直共振器面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）１２０から出射したレーザ光１２１は、光変調器１２２に入射する。光変調器１２２の構成と作用は第１乃至４の光変調器の実施例と同様である。光変調器１２２は、基板１２３上に構成したピラミッド状の突起１２４の側面に形成した。基板１２３はＳｉ基板より成るが、石英基板等でも良い。ピラミッド状の突起形状１２４は、Ｓｉの異方性エッチングで形成した。圧縮成型による金属ピラミッド形状の接着や、低融点ガラスの直接成型により構成することも可能である。電圧印加時の反射光が光導波路１２５のコア層１２６に入射される位置に設置されている。光変調器１２２に電圧を印加することで、光路を変化させ、導波路１２５のレーザ光の入力をオン・オフすることができる。
【実施例３】
【００２２】
図１３に本発明の変調光学系の第３の実施形態の構成を示す。垂直共振器面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）１３０から出射したレーザ光１３１は、光変調器１３２に入射する。光変調器１３２は、基板１３３上に構成したピラミッド状の突起１３４の側面に形成した。
この側面には２次元の凹面が形成され、光変調器１３２はこの凹面部に形成されている。光変調を受けて光導波路１３５に向かう光は、この凹面によって結像作用を受ける。ＶＣＳＥＬの発光像が光導波路の端面で光導波路の導波モードサイズに結像されるように凹面の曲率を設定してある。光変調器１３２の層構成は第１乃至４の光変調器の実施例と同様である。
ピラミッド状の突起形状１３４は、圧縮成型による金属ピラミッド形状の接着や、低融点ガラスの直接成型により構成することも可能である。電圧印加時の反射光が光導波路１３５のコア層１３６に入射される位置に設置されている。
【実施例４】
【００２３】
図１４に本発明の変調光学系の第４の実施形態の構成を示す。垂直共振器面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）１４０から出射したレーザ光１４１は、光変調器１４２に入射する。光変調器１４２は、基板１４３上に構成した舳先形状の突起１４４の側面に形成した。
この側面は水平面から４５度の角度突き出している。この側面には２次元の凹面が形成され、光変調器１４２はこの凹面部に形成されている。光変調を受けて光導波路１３５に向かう光は、この凹面によって結像作用を受ける。ＶＣＳＥＬの発光像が光導波路の端面で光導波路の導波モードサイズに結像されるように凹面の曲率を設定してある。光変調器１４２の層構成は第１乃至４の光変調器の実施例と同様である。
舳先形状の突起１４４は、圧縮成型による金属形状体の接着や、低融点ガラスの直接成型により構成することも可能である。電圧印加時の反射光が光導波路１４５のコア層１４６に入射される位置に設置されている。
【実施例５】
【００２４】
図１５に本発明の変調光学系の第５の実施形態の構成を示す。端面発光レーザ１５０から出射したレーザ光１５１は、光変調器１５２に入射する。光変調器１５２の基本構成と作用は第１乃至４の光変調器の実施例と同様であるが、垂直入射でファブリペロ共振器を構成するために各層の膜厚が異なっている。光変調器１５２は、光導波路１５３の垂直端面に形成に形成され、透過光が光導波路１５５のコア層１５６に入射される位置に設置した。光変調器１５２に電圧を印加することで、透過率を変化させ、導波路１５５のレーザ光の入力をオン・オフすることができる。
図１６に、本実施例で作製した光変調器１５２の透過率の印加電圧依存性を示す。横軸は電圧、縦軸は反射率である。電圧の増加に伴い、透過率は増加し、１０Ｖの印加で１０ｄＢ以上の変調度を得ることができた。
【実施例６】
【００２５】
図１７に本発明のインターコネクションの実施形態の構成を示す。ＬＳＩ１７０の出力は電気信号として、光変調器１７５に入力される。垂直共振器面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）１７１から出射した連続したレーザ光１７２は、光導波路１７３の端部に入射する。光導波路１７３は基板１７４上に形成されている。光導波路１７３の端部は、４５度にテーパー加工されており、テーパー部には光変調器１７５が形成されている。光変調器１７５にはＬＳＩ１７０の出力信号が入力され、その電圧の変調により、光路を変化させ、導波路１７３のレーザ光の入力をオン・オフすることができる。光変調器１７５は、電圧印加時の反射光が光導波路１７３のコア層に入射される位置に設置されている。光変調器１７５の構成と作用は第１乃至４の光変調器の実施例と同様である。
光導波路１７３の相対する端面は、４５度にテーパー加工されており、信号が重畳されたレーザ光の光路を９０度変化させる。このレーザ光はフォトディテクタ１７６に入射し、電気信号に変換される。この電気信号はＬＳＩ１７７に入力される。これにより、ＬＳＩ１７０とＬＳＩ１７７間の情報に光に変換し伝えることができる。
光に変換し信号を伝えることで、電磁ノイズによる擾乱に強い光配線を用いた高速通信が可能になる。
【００２６】
また、背景技術や本発明の解決すべき課題でも述べたように、本発明の光変調器並びにこの光変調器を備えた光変調光学系は、光ファイバ通信システムや空間伝搬光通信システムにおける光通信装置とりわけ光送信装置に用いることによって、４０〜２００Ｇｂｐｓの高速度の光通信システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の変調光学系の第１の実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明の光変調器の第１の実施例の断面構造を示す図である。
【図３】本発明の光変調器の第１の実施例の平面図である。
【図４】作製した本発明の光変調器の第１の実施例の反射率の印加電圧依存性を示す図である。
【図５】本発明の光変調器の第２の実施例の断面構造を示す図である。
【図６】作製した本発明の光変調器の第２の実施例の反射率の印加電圧依存性を示す図である。
【図７】本発明の光変調器の第３の実施例の断面構造を示す図である。
【図８】作製した本発明の光変調器の第３の実施例の反射率の印加電圧依存性を示す図である。
【図９】下部中間層の効果を明確にするための試料の透過スペクトルを示す図である。
【図１０】エアロゾルデポジション法で作成した電気光学層の研磨の効果を明確にするための試料の透過スペクトルを示す図である。
【図１１】本発明の光変調器の第４の実施例の断面構造を示す図である。
【図１２】本発明の変調光学系の第２の実施形態の構成を示す図である。
【図１３】本発明の変調光学系の第３の実施形態の構成を示す図である。
【図１４】本発明の変調光学系の第４の実施形態の構成を示す図である。
【図１５】本発明の変調光学系の第５の実施形態の構成を示す図である。
【図１６】本発明の変調光学系の第５の実施形態で作製した光変調器の透過率の印加電圧依存性を示す図である。
【図１７】本発明のインターコネクションの実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１７１    ＶＣＳＥＬ
１５、１２２、１３２、１４２、１５２、１７５    光変調器
１４、１２５、１３５、１４５、１５５、１７３    光導波路
２１、２５、５１、１１１、１１５    誘電体多層反射層
２２、２４、５２、５４、７１、７３、１１４    中間層
２３、５３、７２、１１３    電気光学層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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