(57)【要約】  【課題】  温度ドリフトを抑圧することを可能とし、長寿命で信頼性の高い光変調器を提供する。  【解決手段】  電気光学効果を有する基板１と、基板１に形成された光を導波するための光導波路３と、光を変調するための電圧を印加する、基板１の一方の面側に形成された中心導体４ａ及び接地導体４ｂ、４ｃからなる電極４と、光導波路３が中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃとの間に電圧を印加することにより光の位相を変調するための相互作用光導波路３ａ、３ｂとを具備し、基板１は相互作用光導波路３ａ、３ｂの長手方向に垂直な断面の最も外側に焦電効果により電荷が誘起される基板側面１ａ、１ｂを有する光変調器において、基板側面１ａ、１ｂ上に導電性膜５を直接に形成する。【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光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路とを具備し、前記基板は前記相互作用光導波路の長手方向に垂直な断面の最も外側に焦電効果により電荷が誘起される基板側面を有する光変調器において、
前記基板側面上に導電性膜を直接に形成したことを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記導電性膜は半導体膜からな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】
前記導電性膜は導電性接着剤からな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】
前記導電性膜は前記接地導体に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の光変調器。
【請求項５】
前記接地導体は、前記相互作用光導波路の上方において、前記中心導体の長手方向に延びる中心線に対してほぼ対称な形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４に記載の光変調器。
【請求項６】
前記接地導体は、前記相互作用光導波路の上方において、前記中心導体の長手方向に延びる中心線に対して非対称な形状を有していることを特徴とする請求項１乃至４に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光変調器に係り、特に、高速で駆動電圧が低く、かつＤＣドリフトと温度ドリフトが小さく、製作の歩留まりが良い光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、光変調器において、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、リチウムナイオベート基板を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）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光伝送システムに適用されている。
【０００３】
このようなＬＮ光変調器は、最近ではさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、大容量光伝送システムにおけるキーデバイスとして期待されている。
【０００４】
［従来技術］
図５は、従来技術によるｘ−カットＬＮ基板を用いて構成したＬＮ光変調器の構成を示す斜視図である。図６は図５のＡ−Ａ’における断面図である。
【０００５】
図中、１はｘ−カットＬＮ基板、２はＳｉＯ２バッファ層、３は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。
【０００６】
なお、図中、３ａ、３ｂは電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）における光導波路（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームであり、不図示のＹ分岐光導波路などによって光導波路３を分岐したものである。
【０００７】
また、図中、４は進行波電極であり、この進行波電極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）を用いることを想定する。このＣＰＷ型の進行波電極４は中心導体４ａの両側に接地導体４ｂ、４ｃを持つ対称構造である。
【０００８】
光導波路３を導波する光が進行波電極である金属（一般に、Ａｕを用いる）から受ける吸収損を抑え、また中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を導波する電気信号のマイクロ波等価屈折率（あるいは、進行波電極のマイクロ波等価屈折率）ｎｍを低減し相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光の等価屈折率（あるいは、光導波路の等価屈折率）ｎｏに近づけ、さらに特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけるために、進行波電極４とｘ−カットＬＮ基板１との間には、通常、４００ｎｍ〜１μｍ程度の厚いＳｉＯ２バッファ層２が堆積される。
【０００９】
このＳｉＯ２バッファ層２は電気信号即ちマイクロ波の等価屈折率ｎｍを相互作用光導波路３ａ、３ｂを伝搬する光の等価屈折率ｎｏに近づけることにより、光変調帯域を拡大するという重要な働きをしている。
【００１０】
次に、このように構成されるＬＮ光変調器の動作について説明すると、このＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間に直流バイアス（以下、ＤＣバイアスという）と高周波電気信号（以下、ＲＦ電気信号という）とを印加する必要がある。
【００１１】
図５に示した従来技術の光変調器において、進行波電極の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にバイアス電圧による電界が印加された際における望ましい電気力線の分布をＤＥＦとして図７に示している。
【００１２】
この図７からわかるように、２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを横切る電気力線の向きは逆向きであるため、マッハツェンダ光導波路３では２本の相互作用光導波路３ａ、３ｂを導波する光の位相をπずらすことにより、光のＯＦＦ状態を実現するのがマッハツェンダ光導波路を用いる光変調器の原理である。
【００１３】
次に、図８を用いて上記従来技術によるＬＮ光変調器の温度ドリフトの問題点について考察する。ｘ−カットＬＮ基板１の基板側面１ａや１ｂ（あるいは、ｚ面１ａ、１ｂ）は焦電効果を有する＋ｚ面と−ｚ面なので、基板の温度が変化するとその表面に電荷ＴＥＣが誘起される。
【００１４】
この従来技術によるＬＮ光変調器で使用しているｘ−カットＬＮ基板１の基板側面１ａや１ｂに誘起される電荷ＴＥＣの量は温度とともにランダムに変化するので、基板側面１ａ、１ｂに誘起された電荷ＴＥＣのためにｘ−カットＬＮ基板１内にランダムな電気力線ＥＦが生じる。
【００１５】
このランダムな電気力線ＥＦの発生により、ＬＮ光変調器を動作させるために中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間に印加したバイアス電圧による電気力線ＤＥＦがランダムに打ち消されてしまう。
【００１６】
さて、ＬＮ光変調器を動作させるには、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間にＤＣバイアス電圧とＲＦ電気信号とを印加する必要がある。
【００１７】
図９に示す電圧−光出力特性において、実線の曲線はある状態でのＬＮ光変調器の電圧−光出力特性であり、Ｖｂはその際のＤＣバイアス電圧である。
【００１８】
この図９に示すように、通常、ＤＣバイアス電圧Ｖｂは光出力特性の山と底の中点に設定される。
【００１９】
ところが上で述べた温度の変化により発生したランダムな電気力線ＥＦのために、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃの間に印加したバイアス電圧による電気力線ＤＥＦがランダムに打ち消されてしまい、この最適バイアス電圧ＶｂはＶｂ’へと大きく変化することになる。
【００２０】
従って、温度に対して安定といわれるｘ−カットＬＮ基板１を用いた光変調器においても、この温度の変化によるＤＣバイアス電圧のシフト、つまり温度ドリフトが生じる結果となる。このことはｘ−カットＬＮ基板１の基板側面１ａや１ｂと相互作用光導波路３ａ、３ｂの距離が比較的近いと顕著になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
以上のように、従来技術では基板側面に焦電効果を発生する面を有するＬＮ基板を用いて製作された光変調器においては、焦電効果に起因して誘起された電荷のためにＬＮ基板の中にランダムな電界が生じ、その結果温度ドリフトが生じるという問題があった。
【００２２】
そこで、本発明は、以上のような従来技術が持つ温度ドリフトの問題点を解消することにより、小型で高速、かつ安定な強度光変調器、位相変調器あるいは偏波スクランブラー等に好適する光変調器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１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光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる電極と、前記光導波路が前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路とを具備し、前記基板は前記相互作用光導波路の長手方向に垂直な断面の最も外側に焦電効果により電荷が誘起される基板側面を有する光変調器において、前記基板側面上に導電性膜を直接に形成したことを特徴とする。
【００２４】
本発明の請求項２の光変調器は、請求項１に記載の光変調器において、前記導電性膜は半導体膜からなることを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項３の光変調器は、請求項１に記載の光変調器において、前記導電性膜は導電性接着剤からなることを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項４の光変調器は、請求項１乃至３に記載の光変調器において、前記導電性膜は前記接地導体に電気的に接続されていることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項５の光変調器は、請求項１乃至４に記載の光変調器において、前記接地導体は、前記相互作用光導波路の上方において、前記中心導体の長手方向に延びる中心線に対してほぼ対称な形状を有していることを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項６の光変調器は、請求項１乃至４に記載の光変調器において、前記接地導体は、前記相互作用光導波路の上方において、前記中心導体の長手方向に延びる中心線に対して非対称な形状を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１に記載の光変調器では、相互作用光導波路の長手方向に垂直な断面の最も外側に焦電効果により電荷が誘起される基板側面があり、この基板側面に電気的に接続するように導電性の膜を形成することにより、基板側面の電位を安定化できるので温度ドリフトを抑圧できる。
【００３０】
請求項２に記載の光変調器では、導電性膜は半導体膜からなるので、光変調器製作工程の中で導電性膜を形成できる。
【００３１】
請求項３に記載の光変調器では、導電性膜が一般により導電率の高い導電性接着剤からなるので、より効果的に温度ドリフトを抑圧できる。
【００３２】
請求項４に記載の光変調器では、導電性膜は接地導体に電気的に接続されているので、基板側面の電位の安定化が確かなものになる。
【００３３】
請求項５に記載の光変調器では、電極が接地導体を中心導体の両側に有する対称電極であるため導電性膜と接地導体との電気的接続をとることが容易であり、基板側面の電位の安定化に効果が高い。
【００３４】
請求項６に記載の光変調器では、電極が接地導体を片側に有する非対称電極ではあるものの導電性膜と接地導体との電気的接続をとることにより基板側面の電位の安定化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図５乃至図９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。
【００３６】
［第１実施形態］
図１に本発明における第１実施形態の光変調器について、図５に示した従来技術のＡ−Ａ’に相当する位置における断面図を示す。本実施形態では焦電効果により電荷ＴＥＣが励起されるｘ−カットＬＮ基板１の基板側面１ａ、１ｂにＳｉやＳｉＯｘのような導電性膜５を形成している。さらに、本実施形態ではこれらの導電性膜５を接地導体４ｂ、４ｃに電気的に接続している。このＣＰＷ型の進行波電極（電極）４は中心導体４ａの両側に接地導体４ｂ、４ｃを持つ対称構造であるので、導電性膜５と接地導体４ｂ、４ｃとの電気的な接続が容易である。
【００３７】
このように、基板側面１ａ、１ｂに導電性膜５を形成することにより、基板側面１ａ、１ｂの電位が安定になるので、従来技術として示した図８のランダムな電気力線ＥＦは発生しない。
【００３８】
なお、基板側面１ａ、１ｂの両方に導電性膜５を形成するとともに、導電性膜５を接地導体４ｂ、４ｃに電気的に接続するのが効果的であるが、やや効果は落ちるものの基板側面１ａ、１ｂの片方のみ、あるいは導電性膜５を接地導体４ｂ（及び接地導体４ｃ）に電気的に接続しないなど各種の組み合わせがある。
【００３９】
［第２実施形態］
図２に本発明における第２実施形態の光変調器について、図５に示した従来技術のＡ−Ａ’に相当する位置における断面図を示す。図１に示した第１実施形態の構造に加えて、本実施形態ではＳｉやＳｉＯｘのような導電性膜５をｘ−カットＬＮ基板１の基板側面１ａ、１ｂの他にｘ−カットＬＮ基板１の底面１ｃにも形成している。こうすることにより基板側面１ａ、１ｂの電位をより安定化することが可能となる。
【００４０】
［第３実施形態］
図３に本発明における第３実施形態の光変調器について、図５に示した従来技術のＡ−Ａ’に相当する位置における断面図を示す。本実施形態では焦電効果により電荷ＴＥＣが励起されるｘ−カットＬＮ基板１の基板側面１ａ、１ｂに、第１実施形態や第２実施形態で使用したＳｉやＳｉＯｘのような導電性膜５よりも導電率の高い導電ペーストなどの導電性接着剤６を用いて光変調器としての金属筐体７に固定している。さらに、本実施形態ではこれらの導電性接着剤６を接地導体４ｂ、４ｃに電気的に接続している。
【００４１】
このように、基板側面１ａ、１ｂに導電性接着剤６を塗布することにより、基板側面１ａ、１ｂの電位が極めて安定になるので、従来技術として示した図８のランダムな電気力線ＥＦは発生しない。このＣＰＷ型の進行波電極４は中心導体４ａの両側に接地導体４ｂ、４ｃを持つ対称構造であるので、導電性接着剤６と接地導体４ｂ、４ｃとの電気的な接続が容易である。
【００４２】
なお、基板側面１ａ、１ｂの両方に導電性接着剤６を形成するとともに導電性接着剤６を接地導体４ｂ、４ｃに電気的に接続するのが効果的であるが、やや効果は落ちるものの基板側面１ａ、１ｂの片方のみ、あるいは導電性接着剤６を接地導体４ｂ（及び接地導体４ｃ）に電気的に接続しないなど各種の組み合わせがある。
【００４３】
［第４実施形態］
図４に本発明における第４実施形態の光変調器について、図５に示した従来技術のＡ−Ａ’に相当する位置における断面図を示す。図３に示した第３実施形態の構造に加えて、本実施形態では導電性接着剤６をｘ−カットＬＮ基板１の基板側面１ａ、１ｂの他にｘ−カットＬＮ基板１の底面１ｃにも形成している。こうすることにより基板側面１ａ、１ｂの電位をより安定化することが可能となるとともに、ｘ−カットＬＮ基板１を金属筐体７により強固に固定できる利点もある。
【００４４】
［各実施形態について］
導電性膜５や導電性接着剤６を形成する基板側面１ａ、１ｂの領域としてはｘ−カットＬＮ基板１の側面全体でも良いが一部でも良い。なお、相互作用光導波路３ａ、３ｂの領域に対応するｘ−カットＬＮ基板１の側面に形成することが好適である。
【００４５】
ここで、本発明の目的について再度確認をしておく。ｘ−カットＬＮ基板１の厚みＬＨ、相互作用光導波路３ａ、３ｂに沿った方向の長さＬＬ、これに垂直な方向の幅ＬＷの中で最も小さな値をＬとおくと、ｘ−カットＬＮ基板１における高周波電気信号の共振周波数ｆｒは近似的に
ｆｒ＝（ｃ０／２）・{ｐ／（ｎＬ・Ｌ）}                      （１）
と決定される。ここで、ｃ０は真空中の光速、ｐは正の整数、ｎＬはＬの方向におけるｘ−カットＬＮ基板１の屈折率である。
【００４６】
一般に、ｘ−カットＬＮ基板１の厚みＬＨ、長さＬＬ、幅ＬＷの中では、厚みＬＨが最も小さいので、共振周波数ｆｒは基板の厚みＬＨで決定される。従って、本発明において、基板側面１ａや１ｂに導電性膜５あるいは導電性接着剤６を形成するのはｘ−カットＬＮ基板１の共振周波数についての対策ではなく、あくまで焦電効果のために基板側面１ａ、１ｂに誘起される電荷についての対策である。
【００４７】
また、本発明による光変調器において用いる基板としてはＬＮ基板を例に用いて説明したが、リチウムタンタレートなど、電気光学効果を有するその他の各種基板でも良い。
【００４８】
また、本発明による光変調器における導電性膜はＳｉやＳｉＯｘとして説明したが、金属の酸化物を含め、これ以外の材料でも良いことは言うまでもない。
【００４９】
上でも説明したが、基板側面１ａ、１ｂの両方に導電性膜５や導電性接着剤６を形成するとともに導電性膜５や導電性接着剤６を接地導体４ｂ、４ｃに電気的に接続するのが効果的ではあるが、やや効果は落ちるものの基板側面１ａ、１ｂの片方のみ、あるいは導電性膜５や導電性接着剤６を接地導体４ｂ（及び接地導体４ｃ）に電気的に接続しないなど各種の組み合わせがある。
【００５０】
また、先に述べたように、各実施形態を説明する際の導電層や光導波路の構造として中心導体の中心に左右対称な構造として主に説明したが、勿論、左右対称でなくても良いことは言うまでもない。
【００５１】
さらに、進行波電極としてはＣＰＷ電極を例にとり説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）や対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）などの各種進行波電極、あるいは集中定数型の電極でも良いことは言うまでもない。
【００５２】
また、光導波路としてはマッハツェンダ光導波路の他に、方向性結合器や直線など、その他の光導波路でも良いことは言うまでもない。
【００５３】
また、以上の各実施形態においては、ｘ−カットの面方位を持つ基板としたが、以上に述べた各実施形態での面方位を主たる面方位とし、これらに他の面方位が副たる面方位として混在しても良いことは言うまでもないし、ｚ−カットやｙ−カットの面方位を（あるいは混在して）持つ基板でも良いことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかる光変調器は温度ドリフトを抑圧することを可能とし、長寿命で信頼性の高い光変調器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光変調器の断面図
【図２】本発明の第２実施形態に係る光変調器の断面図
【図３】本発明の第３実施形態に係る光変調器の断面図
【図４】本発明の第４実施形態に係る光変調器の断面図
【図５】従来技術によるｘ−カットＬＮ基板を用いて構成したＬＮ光変調器の斜視図
【図６】図５のＡ−Ａ’における断面図
【図７】従来技術による光変調器の動作原理を説明する図
【図８】従来技術による光変調器の問題点を説明する図
【図９】第１の従来技術の温度ドリフトを説明する図
【符号の説明】
【００５６】
１：ｘ−カットＬＮ基板
１ａ、１ｂ：ｘ−カットＬＮ基板１の側面
１ｃ：ｘ−カットＬＮ基板１の底面
２：ＳｉＯ２バッファ層
３：光導波路
３ａ、３ｂ：相互作用光導波路
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５：導電性膜
６：導電性接着剤
７：金属筐体
ＤＥＦ：印加電圧による電気力線
ＴＥＣ：焦電効果により誘起された電荷
ＥＦ：焦電効果により誘起された電荷による電気力線
【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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