(57)【要約】      （修正有）【課題】消光比や光挿入損失を保持しつつ、光導波路デバイスの小型化や駆動電圧の低減を可能とするような光導波路デバイスを提供することである。【解決手段】光導波路デバイスは、電気光学材料からなる基板本体、光導波路９、および光導波路９に電圧を印加するための接地電極および信号電極を備えている。光導波路９が、入射部９ａ、出射部９ｋ、および入射部９ａと出射部９ｋとの間に設けられており、接地電極および信号電極と相互作用する相互作用部１０を備えている。入射部９ａの長さａが出射部９ｋの長さｂより短い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料からなる基板本体、光導波路、および前記光導波路に電圧を印加するための接地電極および信号電極を備えている光導波路デバイスであって、
前記光導波路が、入射部、出射部、および前記入射部と前記出射部との間に設けられており、前記接地電極および前記信号電極と相互作用する相互作用部を備えており、前記入射部が前記出射部より短いことを特徴とする、光導波路デバイス。
【請求項２】
前記入射部が前記基板本体の一方の端部に設けられており、前記出射部が前記基板本体の他方の端部に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の光導波路デバイス。
【請求項３】
前記光導波路が少なくとも第一の前記相互作用部と第二の前記相互作用部とを備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の光導波路デバイス。
【請求項４】
前記第一の相互作用部と前記第二の相互作用部との間に折り返し点が設けられていることを特徴とする、請求項３記載の光導波路デバイス。
【請求項５】
進行波型光変調器であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、進行波型光変調器等の光導波路デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光変調器の変調帯域を広帯域化するために、光導波路基板を薄くすることによりマイクロ波と光波の速度整合をとる構造が提案されている。光導波路基板を薄くする構造において、速度整合条件を満足するためには光導波路部周辺の基板厚みを例えば１０μｍ程度にする必要があり、光モードフィールドパターンの偏平化を防止し、基板薄型および溝加工による表面ラフネス、ダメージの影響で発生する光の伝搬損失を抑制するために２段裏溝構造を特許文献１で出願した。
【特許文献１】特開２００２−１０９１３３号公報
【０００３】
特許文献２には、光制御素子の光導波路を、基板の末端面で折り返すことによって、光波と変調波との相互作用長を長くし、駆動電圧を低下させ、光波と信号波との整合速度差を補償して高速動作を実現している。
【特許文献２】特開平４−３５５７１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
最近、特にマッハツェンダー型光導波路を用いた光変調器チップの小型化への要求と、駆動電圧低減の要求とが強まっている。しかし、光と電気との相互作用長は、基板を構成する材質の屈折率、変調帯域および駆動電圧によって定まる。相互作用長を短くすると、それだけ駆動電圧を大きくする必要がある。したがって駆動電圧を一定とする場合には相互作用長を短くすることが難しい。このため、消光比や光挿入損失を保持しつつ、光導波路デバイスの小型化や駆動電圧の低減を可能とするような光導波路デバイスが求められている。
【０００５】
本発明の課題は、消光比や光挿入損失を保持しつつ、光導波路デバイスの小型化や駆動電圧の低減を可能とするような光導波路デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電気光学材料からなる基板本体、光導波路、および光導波路に電圧を印加するための接地電極および信号電極を備えている光導波路デバイスであって、光導波路が、入射部、出射部および入射部と出射部との間に設けられており、接地電極および信号電極と相互作用する相互作用部を備えており、入射部が出射部より短いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
従来は、光導波路の入射部を出射部よりも短くすると、入射部において光消光比が劣化すると考えられてきており、このために入射部と出射部とは対称に、同じ長さに設計されてきた。しかし、本発明者は、光導波路の入射部を出射部に比べて短くした場合にも、光消光比は劣化しないことを発見した。この結果、入射部を短くすることによって、その分だけ光導波路を短くすることが可能であり、これによって光導波路デバイスを小型化することができる。また光導波路を短くすることによって、光の伝搬距離が短くなるために、光挿入損失も低減することができる。あるいは、入射部を短くした分だけ相互作用長を長くすることができ、これによって光消光比、光挿入損失を劣化させることなく、駆動電圧を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
好適な実施形態においては、入射部を基板本体の一方の端部に設け、出射部を基板本体の他方の端部に設ける。このような型の光導波路は一般にマッハツェンダー型光導波路を呼ばれている。また、分岐部分を階段状に設けることによって、いわゆるカスケード構造の光導波路を形成することができる。
【０００９】
好適な実施形態においては、光導波路が少なくとも第一の相互作用部と第二の相互作用部とを備えている。この場合には、第一の相互作用部と第二の相互作用部とを直線的に形成することもできる。
【００１０】
しかし、好適な実施形態においては、第一の相互作用部と第二の相互作用部との間に折り返し点を設ける。このような実施形態によると、入力側のフィードスルーと出力側のフィードスルーとを容易に離すことができ、これによって直達電磁波での結合の影響を抑制することができ、高周波特性を改善することができる。また、第一の相互作用部の長さと第二の相互作用部の長さとを異ならせることが容易になるので、第一の相互作用部と第二の相互作用部との間における、反射によるリップルの干渉に伴うリップル増大を防止できる。
【００１１】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１（ａ）は、従来例の光導波路パターンを示す平面図であり、図１（ｂ）は、本発明例に係る光導波路パターンを示す平面図である。図２は、比較例に係る光導波路デバイス２０を概略的に示す平面図であり、図３は、本発明例に係る光導波路デバイス２１を概略的に示す平面図であり、図４は、図３の光導波路デバイスの横断面図である。
【００１２】
図４に示すように、本発明例の光導波路デバイス２１は基板本体３を備えている。基板本体３は、支持基板３１に接着層３０を介して接着されていてもよい。本例では、基板本体３は平板形状をしているが、この形状は平板に限定されない。
【００１３】
図１（ａ）、（ｂ）は、いわゆるマッハツェンダー型の光導波路である。図１（ａ）の比較例では、光導波路５は、入射部５ａ、分波点５ｂ、一対の分波側分岐部５ｃ、５ｄ、一対の平行分岐部５ｅ、５ｆ、一対の合波側分岐部５ｇ、５ｈ、合波点５ｊおよび出射部５ｋを有する。１０は相互作用部であり、７は湾曲部である。ｄは相互作用部１０の長さである。従来は、入射部５の長さａと出射部５ｋの長さｂとは同じである。これは、入射部５ａを短くすると、入射側の光消光比が劣化するものと考えられていたためである。
【００１４】
図１（ｂ）の本発明例では、光導波路９は、入射部９ａ、分波点９ｂ、一対の分波側分岐部９ｃ、９ｄ、一対の平行分岐部９ｅ、９ｆ、一対の合波側分岐部９ｇ、９ｈ、合波点９ｊおよび出射部９ｋを有する。１０は相互作用部であり、７は湾曲部である。ｅは相互作用部１０の長さである。本発明例では、入射部５ａの長さａは出射部５ｋの長さｂよりも長さｆだけ小さくする。
【００１５】
これによって、かりに相互作用部１０の長さｅを、図１（ａ）のデバイスにおける長さｄと同じにした場合には、光導波路９の全長は光導波路５の全長よりも短くなるので、光伝搬距離が短くなり、挿入損失が低減される。また、図１（ｂ）に示すように、相互作用部１０の長さｅを、図１（ｂ）における相互作用部１０の長さｄよりも長くした場合には、光導波路９の全長を光導波路５の全長と同程度にできる。これによって、相互作用長が長くなるために、必要な駆動電圧を低減することが可能である。
【００１６】
図２は、図１（ａ）の光導波路５のパターンを用いた比較例の光導波路デバイス２０を示すものであり、図３は、図１（ｂ）の光導波路９のパターンを用いた本発明例の光導波路２１を示すものである。
【００１７】
図２の光導波路デバイス２０においては、基板本体３の上に、図１（ａ）に示した光導波路５が形成されている。本例では、一対の接地電極４Ａ、４Ｃおよび信号電極４Ｂによって、平行分岐部５ｅ、５ｆに電圧を印加する。本例では、接地電極４Ａと信号電極４Ｂとの間に分岐部５ｅが形成されており、信号電極４Ｂと接地電極４Ｃとの間に分岐部５ｆが形成されている。そして、相互作用部１０の長さはｄであり、入射部５ａの長さａと出射部５ｋの長さｂとが等しい。
【００１８】
図３の光導波路デバイス２１においては、基板本体３の上に、図１（ｂ）に示した光導波路９が形成されている。入射部９ａは入射端面６に面しており、出射部９ｋは出射端面８に面している。本例では、一対の接地電極４Ａ、４Ｃおよび信号電極４Ｂによって、平行分岐部９ｅ、９ｆに電圧を印加する。本例では、接地電極４Ａと信号電極４Ｂとの間に分岐部９ｅが形成されており、信号電極４Ｂと接地電極４Ｃとの間に分岐部９ｆが形成されている。そして、相互作用部１０の長さはｅであり、入射部５ａの長さａは出射部５ｋの長さｂよりｆだけ小さくなっている。そして相互作用部１０の長さｅは、図２のデバイス２０における長さｄよりも大きい。
【００１９】
図５（ａ）は、従来例の光導波路パターンを示す平面図であり、図５（ｂ）は、本発明例に係る光導波路パターンを示す平面図である。図６は、比較例に係る光導波路デバイス２２を概略的に示す平面図であり、図７は、本発明例に係る光導波路デバイス２３を概略的に示す平面図であり、図８は、図７の光導波路デバイスの横断面図である。
【００２０】
図８に示すように、本発明例の光導波路デバイス２３は基板本体３を備えている。基板本体３は、支持基板３１に接着層３０を介してに対して接着されていてもよい。本例では、基板本体３は平板形状をしているが、この形状は平板に限定されない。
【００２１】
図５（ａ）、（ｂ）は、いわゆるマッハツェンダー型の光導波路であり、折り返し型のものである。図５（ａ）の比較例では、光導波路１１は、基板本体の端面で折り返されている。すなわち、光導波路１１は、入射部１１ａ、分波点１１ｂ、一対の分波側分岐部１１ｃ、１１ｄ、一対の平行分岐部１１ｅ、１１ｆ、一対の平行分岐部１１ｇ、１１ｈ、折り返し点１９、一対の平行光導波路１１ｊと１１ｋ、１１ｍと１１ｎ、一対の合波部１１ｐ、１１ｑ、合波点１１ｒおよび出射部１１ｔを有する。１０Ａは往路の相互作用部であり、１０Ｂは復路の相互作用部である。７は湾曲部である。ｄは相互作用部１０Ａ、１０Ｂの長さである。従って、相互作用部の全長は往復で２ｄとなる。従来は、入射部１１ａの長さａと出射部１１ｔの長さｂとは同じである。これは、入射部１１ａを短くすると、入射側の光消光比が劣化するものと考えられていたためである。
【００２２】
図５（ｂ）の本発明では、光導波路１２は、基板本体の端面で折り返されている。すなわち、光導波路１２は、入射部１２ａ、分波点１２ｂ、一対の分波側分岐部１２ｃ、１２ｄ、一対の平行分岐部１２ｅ、１２ｆ、一対の平行分岐部１２ｇ、１２ｈ、折り返し点１９、一対の平行光導波路１２ｊと１２ｋ、１２ｍと１２ｎ、一対の合波部１２ｐ、１２ｑ、合波点１２ｒおよび出射部１２ｔを有する。１０Ａは往路の相互作用部であり、１０Ｂは復路の相互作用部である。７は湾曲部である。ｅは往路の相互作用部１０Ａの長さであり、ｄは復路の相互作用部１０Ｂの長さである。従って、相互作用部の全長は往復で（ｄ＋ｅ）となる。本発明例では、入射部１２ａの長さａは出射部１１ｔの長さｂよりｆだけ小さい。
【００２３】
本発明によれば、かりに相互作用部１０Ａ、１０Ｂの全長を、往路、復路ともに、図５（ａ）のデバイスにおける長さｄと同じにした場合には、それだけ光導波路１２の全長は光導波路１１の全長よりも短くなるので、光伝搬距離が短くなり、挿入損失が低減される。また、図５（ｂ）に示すように、往路における相互作用部１０Ａの長さｅを、図５（ａ）における相互作用部１０Ａの長さｄよりも長くした場合にも、光導波路１２の全長を光導波路１１の全長と同程度にできる。これによって、相互作用長が長くなるために、必要な駆動電圧を低減することが可能である。
【００２４】
図６は、図５（ａ）の光導波路１１のパターンを用いた比較例の光導波路デバイス２２を示すものであり、図７は、図５（ｂ）の光導波路１２のパターンを用いた本発明例の光導波路２３を示すものである。
【００２５】
図６の光導波路デバイス２２においては、基板本体３の上に、図５（ａ）に示した光導波路１１が形成されている。図６および図７の例では、接地電極１３は、給電部１３ａと、給電部１３ａから相互作用部１０と平行に伸びる作用部１３ｂとを備えている。接地電極１５は、給電部１５ａ、１５ｅ、これらから相互作用部１０と平行に伸びる作用部１５ａおよび１５ｃ、および作用部１５ａと１５ｃとを接続する接続部１５ｂを備えている。信号電極１４は、一対の給電部１４ａ、１４ｅ、相互作用部１０と平行に伸びる作用部１４ｂおよび１４ｄ、および作用部１４ｂと１４ｄとを接続する接続部１４ｃを有する。
【００２６】
一対の接地電極１３、１５および信号電極１４によって、平行分岐部１１ｅと１１ｆとの間、１１ｍと１１ｎとの間に電圧を印加する。相互作用部１０Ａ、１０Ｂの長さは、往路、復路ともにｄであり、入射部１１ａの長さａと出射部１１ｔの長さｂとが等しい。
【００２７】
図７の光導波路デバイス２３においては、基板本体３の上に、図５（ｂ）に示した光導波路１２が形成されている。一対の接地電極１３、１５および信号電極１４によって、平行分岐部１２ｅと１２ｆとの間、１２ｍと１２ｎとの間に電圧を印加する。相互作用部１０Ａ、１０Ｂの長さは、往路ではｅであり、復路ではｄである。入射部１２ａの長さａは、出射部１１ｔの長さｂよりもｆだけ小さい。
【００２８】
入射部の長さａと出射部の長さｂとの差ｆは、本発明の観点からは、1ｍｍ以上が好ましく、3ｍｍ以上がさらに好ましい。また、本発明の観点からは、ｂ／ａは1.15以上が好ましく、1.7以上がさらに好ましい。
一方、aを短くしすぎると光導波路デバイスに接続された光ファイバーとのカップリング位置のミスアライメントによって励起される高次モードを十分に減衰させることができず、消光比が劣化する。この観点からはaは1.5mm以上が好ましく、3mm以上がさらに好ましい。
【００２９】
前述の各例では、基板本体３は平板形状をしているが、この形状は平板に限定されない。また、いわゆるコプレーナ型（Coplanar
waveguide：ＣＰＷ電極)の電極配置を採用しているが、電極の配置形態は特に限定されない。本発明例では、隣接する信号電極と接地電極とのギャップに、それぞれ光導波路が形成されており，各光導波路に対して略水平方向に信号電圧を印加するようになっている。
【００３０】
光導波路は、基板の一方の主面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板の一方の主面の上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。具体的には、光導波路が、基板表面から突出するリッジ型光導波路であってよい。リッジ型の光導波路は、レーザー加工、機械加工によって形成可能である。あるいは、高屈折率膜を基板上に形成し、この高屈折率膜を機械加工やレーザーアブレーション加工することによって、リッジ型の三次元光導波路を形成できる。高屈折率膜は、例えば化学的気相成長法、物理的気相成長法、有機金属化学的気相成長法、スパッタリング法、液相エピタキシャル法によって形成できる。
【００３１】
本例では、電極は基板の表面に設けられているが、基板の表面に直接形成されていてよく、低誘電率層ないしバッファ層の上に形成されていてよい。低誘電率層は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナなどの公知の材料を使用することができる。ここで言う低誘電率層とは、基板本体を構成する材質の誘電率よりも低い誘電率を有する材料からなる層を言う。
【００３２】
基板本体、保持基板を構成する材料は、強誘電性の電気光学材料、好ましくは単結晶からなる。こうした結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。
【００３３】
保持基板の材質は、上記した強誘電性の電気光学材料に加えて、更に石英ガラス等のガラスであってもよい。
【００３４】
接着剤は、基板本体３を構成する材質の誘電率よりも低い誘電率を有する材料からなり、接着剤の具体例は、前記の条件を満足する限り特に限定されないが、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０−６／Ｋ）を例示できる。
【実施例】
【００３５】
（比較例）
図５（ａ）、図６、図８に示す光導波路デバイス２２を作製し、保持基板３１と接着した。
具体的には、Ｘカットした３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ３単結晶）を使用し、チタン拡散プロセスとフォトリソグラフィー法とによって、ウエハーの表面にマッハツェンダー型の光導波路１１を形成した。光導波路のサイズは、例えば１／ｅ２で１０μｍとできる。次いで、メッキプロセスにより、信号電極１４および接地電極１３、１５を形成した。
【００３６】
次に、研磨定盤に研磨ダミー基板を固定し、その上に変調器用の基板本体を、電極面を下向きにして貼り付けた。次に、横型研磨、ラップおよびポリッシング（ＣＭＰ）にて8.5μｍ厚みまで変調器用の基板本体を薄型加工した。次いで、平板状の支持基板３１上に基板本体３を固定した。接着固定用の樹脂３０は、樹脂厚50μｍとした。光導波路の端面（光ファイバーへの接続部）を端面研磨し、ダイシングにてウエハーを切断し、各チップを得た。チップの幅を2ｍｍとし、デバイスの全厚さを0.5ｍｍとした。
【００３７】
１．５５μｍ用偏波保持光ファイバー、あるいは１．３μｍシングルモードファイバーを保持した単芯ファイバーアレイをそれぞれ作製し、前者を入力側に後者を出力側として光変調器チップに結合し、光ファイバーと光導波路とを調芯し、紫外線硬化型樹脂によって接着した。
【００３８】
信号電極と接地電極とのギャップは２１．５μｍとした。電極の厚みを２０μｍとした。各湾曲部７の曲率半径は１５ｍｍとし、折り返し部１９の全角θを１０°とし、オフセットｇを500μmとし、折り返し部光路長は往復で７．０ｍｍとした。相互作用電極長ｄは、往路、復路共に１５ｍｍであり、合計３０ｍｍである。入射部１１ａの長さａは７ｍｍであり、出射部１１ｔの長さｂは７ｍｍである。
【００３９】
このような進行波型光変調器の測定結果は以下のとおりである。
消光比：      ２５ｄB
挿入損失：    ８ｄB
駆動電圧：    ２．４V
S21リップル：  １ｄB
【００４０】
（本発明例）
図５（ｂ）、図７および図８に示す光導波路デバイス２３を作製し、保持基板３１と接着した。
具体的な製造プロセスは比較例と同じである。ただし、信号電極と接地電極とのギャップはμｍとした。電極の厚みを２０μｍとした。各湾曲部７の曲率半径は１５ｍｍとし、折り返し部１９の全角θを１０°とし、オフセットｇを500μmとし、折り返し部光路長は往復で７．０ｍｍとした。往路の相互作用電極長ｅは１８ｍｍであり、復路の相互作用長ｄは１５ｍｍであり、合計３３ｍｍである。入射部１２ａの長さａは４ｍｍであり、出射部１２ｔの長さｂは７ｍｍである。
【００４１】
このような進行波型光変調器の測定結果は以下のとおりである。
消光比：      ２５ｄB
挿入損失：    ７．５ｄB
駆動電圧：    ２．２V
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）は、比較例で採用した光導波路５を示す平面図であり、（ｂ）は、本発明例で採用した光導波路９を示す平面図である。
【図２】比較例の光導波路デバイス２０を概略的に示す平面図である。
【図３】本発明例の光導波路デバイス２１を概略的に示す平面図である。
【図４】光導波路デバイス２１を概略的に示す横断面図である。
【図５】（ａ）は、比較例で採用した光導波路１１を示す平面図であり、（ｂ）は、本発明例で採用した光導波路１２を示す平面図である。
【図６】比較例の光導波路デバイス２２を概略的に示す平面図である。
【図７】本発明例の光導波路デバイス２３を概略的に示す平面図である。
【図８】光導波路デバイス２３を概略的に示す横断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
４Ａ、４Ｃ、１３、１５、１６  接地電極            ４Ｂ、１４  信号電極            ５、１１  比較例の光導波路            ５ａ、９ａ、１１ａ、１２ａ  入射部            ５ｋ、９ｋ、１１ｔ、１２ｔ  出射部            ９、１２  本発明例の光導波路              １０、１０Ａ、１０Ｂ  相互作用部            ２０、２２  比較例の光導波路デバイス            ２１、２３  本発明例の光導波路デバイス            ａ  入射部の長さ            ｂ  出射部の長さ            ｄ、ｅ  相互作用長              ｆ  入射部と出射部との相互作用長の差
【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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