(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界の印加に応じて屈折率が変化する電気光学的効果を有する材料で形成された基板と、
前記基板の表面から内部に向かって、上記基板の屈折率と異なる屈折率を持つ材料を拡散して形成された光導波路であって、断面が前記基板と同じ面とする半円形をなし、所定の間隔を隔てて平行する２つの直線導波路と、該２つの直線導波路の一方の端部を所定の傾斜をもって結合し前記２つの直線導波路に光を導く第１接続導波路と、前記２つの直線導波路の他方の端部を所定の傾斜をもって結合し前記２つの直線導波路からの光を合成する第２接続導波路とを有する光導波路と、
前記基板の表面、かつ、前記２つの直線導波路の間に前記２つの直線導波路に沿って形成された第１電極と、
前記２つの直線導波路を挟んで前記第１電極と平行し、かつ、前記基板内に形成された第１および第２の溝内に配設された第２および第３電極と
を具備し、
前記第１および第２の溝は、前記第１電極と当該第１および第２の溝内に配設された前記第２および第３電極に印加された電圧による電界が前記２つ直線導波路の中心を含み前記２つの直線導波路それぞれの全体に集中するように、前記基板内の前記２つの直線導波路の深さより浅い位置に形成されている、
光変調器。
【請求項２】
前記基板は、ＬｉＮｂＯ3 またはＬｉＴａＯ3 であり、
前記光導波路の材料はＴｉである、
請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
シリコン層と、該シリコン層の上にエポキシ樹脂系の透明樹脂層とによって形成された基板と、
前記基板に、所定の間隔を隔てて平行する２つの直線導波路と、該２つの直線導波路の一方の端部を所定の傾斜をもって結合し前記２つの導波路に光を導く第１接続導波路と、前記２つの直線導波路の他方の端部を所定の傾斜をもって結合し前記２つの直線導波路からの光を合成する第２接続導波路とを有する光導波路が形成されるように、アクリル系高分子の主鎖にジアゾ系色素を結合した材料を塗布し、ガラス転移点付近の温度で直流電界を印加して形成した光導波路と、
前記基板の表面、かつ、前記２つの直線導波路の間に、前記２つの直線導波路に沿って形成された第１電極と、
前記２つの直線導波路を挟んで前記第１電極と平行し、かつ、前記基板内に形成された第１および第２の溝内に配設された第２および第３電極と
を具備し、
前記第１および第２の溝は、前記第１電極と当該第１および第２の溝内に配設された前記第２および第３電極に印加された電圧による電界が前記２つの直線導波路の中心を含み前記２つの直線導波路それぞれの全体に集中するように、前記基板内の前記２つの直線導波路の深さより浅い位置に形成されている、
光変調器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印加する変調信号の電圧に対して、効率よく変調を行うことができ、変調動作時の電圧を低減することができる光変調器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるマルチメディア時代に向けて、超高速、大容量の双方向通信システムである光通信システムの実用化が、ＦＴＴＨ(Fiber To The Home) 計画の下に進んでいる。この計画においては、全国の家庭端末まで、光ファイバを導入することが必要となる。
このようなシステムを実用化するためには、光回線に対応した光送受信機を設置することになり、高性能な光変調器、光スイッチなどの光デバイスの開発が必要である。
ところで、たとえばそのような光送信器などに用いられる光変調器としては、レーザーダイオード（ＬＤ）などの半導体レーザにより直接変調を行う変調器と、外部の変調器とがあるが、超高速、長距離伝送に効果的に用いることができることから、後者の外部変調器が広く使用されつつある。
【０００３】
ところで、光変調器のような光デバイスは、通常、電圧の印加によってその屈折率が変化する電気光学効果を有する材料により構成される。換言すれば、電界により屈折率が変化する電気光学効果を利用して導波路を伝搬する光を制御するものが、光変調器、光スイッチ、光分波器といった光デバイスである。
そのような電気光学効果を示す材料の中で、Ｔｉ拡散ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）を用いた光導波路型変調器は、大きな電気光学効果を示すとともに、低損失の導波路形成が可能であるため、よく利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、そのような光変調器においては、印加する電圧に対してより効率よく変調を行い、変調動作時の電圧を低減したいという要望がある。
前述したように、このような光変調器においては、電界による屈折率変化を利用して変調を行っており、効率よく変調を行うためには、実際に光波が伝搬する導波路に有効に電界をかける必要がある。
【０００５】
これまでの通常用いられているマッハツェンダー型光変調器の平行導波路部分の断面図を図４に示す。
図４に示すように、これまでの光変調器９０においては、ＬｉＮｂＯ3 基板９１内にＴｉ拡散平行導波路９２-1，９２-2が形成され、その両脇のＬｉＮｂＯ3 基板９１の表面に、電極９３-1〜９３-3が設けられている。そのため電極９３-1〜９３-3によりＴｉ拡散平行導波路９２-1，９２-2内に形成される電界は、Ｔｉ拡散平行導波路９２-1，９２-2の中心位置からはずれてＬｉＮｂＯ3 基板９１の表面に集中し、効率よくＴｉ拡散平行導波路９２-1，９２-2に電界をかけられないという問題があった。
【０００６】
このような状態で効率よく変調を行うためには、光波もＬｉＮｂＯ3 基板９１の表面に集中させる方がよい。しかし、基板表面に光波を集中させた場合、光変調器９０に結合する光ファイバのコア径と導波路との乖離が大きくなり、光変調器９０と光ファイバの結合効率が低下するという新たな問題が生じる。なお、ここで結合効率とは、導波路へ入射され伝搬した導波光のパワーと、導波路へ入射させる光ファイバからの出射光のパワーとの比である。
通常は、この光変調器９０と光ファイバとの結合効率を重要視するため、そのような電界集中の方策は取られていない。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、印加する電圧に対してより効率よく変調を行い、変調動作時の電圧を低減できるような光変調器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、導波路の側面に溝を掘り、その中に電極を配置することで、導波路への電界強度を上げるようにした。
【０００９】
本発明の第１観点によれば、電界の印加に応じて屈折率が変化する電気光学的効果を有する材料で形成された基板と、前記基板の表面から内部に向かって、上記基板の屈折率と異なる屈折率を持つ材料を拡散して形成された光導波路であって、断面が前記基板と同じ面とする半円形をなし、所定の間隔を隔てて平行する２つの直線導波路と、該２つの直線導波路の一方の端部を所定の傾斜をもって結合し前記２つの直線導波路に光を導く第１接続導波路と、前記２つの直線導波路の他方の端部を所定の傾斜をもって結合し前記２つの直線導波路からの光を合成する第２接続導波路とを有する光導波路と、前記基板の表面、かつ、前記２つの直線導波路の間に前記２つの直線導波路に沿って形成された第１電極と、前記２つの直線導波路を挟んで前記第１電極と平行し、かつ、前記基板内に形成された第１および第２の溝内に配設された第２および第３電極とを具備し、
前記第１および第２の溝は、前記第１電極と当該第１および第２の溝内に配設された前記第２および第３電極に印加された電圧による電界が前記２つ直線導波路の中心を含み前記２つの直線導波路それぞれの全体に集中するように、前記基板内の前記２つの直線導波路の深さより浅い位置に形成されている、光変調器が提供される。
【００１０】
好ましくは、前記基板は、ＬｉＮｂＯ3 またはＬｉＴａＯ3 であり、前記光導波路の材料はＴｉである。
【００１１】
本発明の第２観点によれば、シリコン層と、該シリコン層の上にエポキシ樹脂系の透明樹脂層とによって形成された基板と、前記基板に、所定の間隔を隔てて平行する２つの直線導波路と、該２つの直線導波路の一方の端部を所定の傾斜をもって結合し前記２つの導波路に光を導く第１接続導波路と、前記２つの直線導波路の他方の端部を所定の傾斜をもって結合し前記２つの直線導波路からの光を合成する第２接続導波路とを有する光導波路が形成されるように、アクリル系高分子の主鎖にジアゾ系色素を結合した材料を塗布し、ガラス転移点付近の温度で直流電界を印加して形成した、光導波路と、前記基板の表面、かつ、前記２つの直線導波路の間に、前記２つの直線導波路に沿って形成された第１電極と、前記２つの直線導波路を挟んで前記第１電極と平行し、かつ、前記基板内に形成された第１および第２の溝内に配設された第２および第３電極とを具備し、
前記第１および第２の溝は、前記第１電極と当該第１および第２の溝内に配設された前記第２および第３電極に印加された電圧による電界が前記２つの直線導波路の中心を含み前記２つの直線導波路それぞれの全体に集中するように、前記基板内の前記２つの直線導波路の深さより浅い位置に形成されている、光変調器が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の光変調器の実施の形態を図１〜図３を参照して説明する。
本実施の形態においては、従来よりよく用いられているマッハツェンダ型干渉計で構成された光変調器を例示して本発明を説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態の光変調器の平面図であって、光変調器の構成を模式的に示した図である。
図１に示すように、光変調器１は、ＬｉＮｂＯ3 基板１０上に、導波路２０が形成され、その平行直線導波路部分に電極３０-1〜３０-3が形成された構成である。
導波路２０は、対向する２つのＹ型分岐導波路２１，２４と、これを結ぶ２本の直線導波路２２，２３とで構成される。これらの導波路２０は、ＬｉＮｂＯ3 基板１０に対し、導波路パタン形状にＴｉを熱拡散して形成する。
なお、図１において、導波路の幅ａは４〜８μｍ、Ｙ型分岐導波路２１，２４の分岐部分の長さｂは１ｍｍ、直線導波路２２，２３の長さｃは１５ｍｍ，２本の直線導波路２２，２３の間隔ｄは２０μｍである。
【００１５】
次に、電極３０-1〜３０-3の配置について図２を参照して説明する。
図２は、光変調器１の図１のＡ−Ａにおける断面図である。
図示のごとく、電極３０の中の直線導波路２２，２３の両脇の電極３０-1，３０-3は、直線導波路２２，２３の側面に設けられた溝１１，１２の中に配置されている。なお、２本の直線導波路２２，２３に挟まれる電極３０-2は、従来通りＬｉＮｂＯ3 基板１０の表面に配置してよい。
導波路２０の深さｅは、通常と同じく１．５〜４μｍ程度であり、溝１１，１２の深さｆは、０．５〜１μｍであるのが好適である。
また、このように、溝１１，１２の深さｆは、１μｍ以下であるので、通常行われるドライエッチングなどの方法により簡単に形成することができる。
【００１６】
このように電極３０-1〜３０-3を配置した場合に、直線導波路２２，２３に印加される電界について図３を参照して説明する。
図３は、光変調器の導波路に対して印加される電界の状態を説明するための図であり、（Ａ）は本実施の形態の光変調器１の電極３０-1〜３０-3により生じる電界を示す図であり、（Ｂ）は比較のための図４にその断面図を示したような従来の光変調器９０の電極９３-1〜９３-3により生じる電界を示す図であり、各々等電位線を示す図である。
なお、この電界分布は、変分法によるシミュレーション結果である。
図示のごとく、図３（Ａ）に示す本実施の形態の光変調器１においては、直線導波路２２，２３の中心部分を中心として、そのコア部分全体について電界が集中していることがわかる。図３（Ｂ）に示すような、比較的ＬｉＮｂＯ3 基板１０の表面付近に電界が集中している例と比較して、直線導波路２２，２３に適切に電界が印加されていることがわかる。
【００１７】
次に、このような光変調器１の動作について説明する。
第１のＹ型分岐導波路２１の端部に光ファイバが接続され、この光ファイバにより伝搬されてきたシングルモードのコヒーレント光が、この端部より光変調器１に入射される。
光変調器１に入射された光は、第１のＹ型分岐導波路２１のＹ分岐部分で分岐され、２本の直線導波路２２，２３に入射される。
【００１８】
この２本の直線導波路２２，２３に対しては、各々両脇に設けられている電極３０-1〜３０-3を介して、所望の変調信号に基づいた電界を印加する。その結果この電界により、２本の直線導波路２２，２３を導波している光の位相が各々変化される。
そして、各々位相の変化された２つの光が、第２のＹ型分岐導波路２４のＹ分岐部分で合波され、元の光の位相変化に基づいて光強度が変化する干渉光が生成され、第２のＹ型分岐導波路２４の端部より、この端部に接続されている光ファイバに出射される。
これにより、前記所望の変調信号に基づいて光強度が変化する変調された光を得ることができる。
【００１９】
このように、本実施の形態の光変調器１においては、導波路２０への実効的な電界強度が増大しており、変調時の動作電圧を低減化することができる。
また、光変調器１においては変調効率を上げるために光変調器１と光ファイバの接続状態を変えたわけではないので、光変調器１に結合する光ファイバのコア径と導波路との乖離が大きくなり、光変調器１と光ファイバの結合効率が低下するという問題は生じない。
【００２０】
なお、本発明は本実施の形態に限られるものではなく、種々の改変が可能である。
たとえば、光変調器１を構成する材料としては、前述したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）に限られるものではない。
たとえば、ＬｉＴａＯ3 結晶基板などの任意の電気光学材料を用いてよい。
【００２１】
また、たとえばアクリル系高分子の主鎖にジアソ系色素を結合させたものなどの非線形有機材料を用いてもよい。
その場合、たとえばＳｉウェハなどの基板上に、コア層より屈折率の低いエポキシ系の透明樹脂などのポリマーをクラッド層として、またアクリル系高分子の主鎖にジアゾ系色素を結合させたものをコア層として塗布する。そして、コア層を図１に示したような２つのＹ型分岐導波路および２本の直線導波路からなる導波路形状に加工したあと、ガラス転移点付近の温度で直流電界を印加しポーリング処理をすることにより光変調器１を製造する。
このように非線形有機材料を用いることにより、前述した結晶基板を用いた場合と比べて、高温処理工程を必要としないなど製作工程が簡素化され、装置の低コスト化ができる。
【００２２】
また、本実施の形態の光変調器１においては、２本の直線導波路２２，２３の外側と、その間の３箇所に電極３０-1〜３０-3を配置し、これにより直線導波路２２，２３に対して電圧を印加するようにした。しかし、たとえば、２本の直線導波路２２，２３の各々に対して、その両脇、すなわち４箇所に電極を設け、この電極を介して電界を印加するようにしてもよい。
【００２３】
また、本実施の形態の光変調器１においては、２本の直線導波路２２，２３で挟まれる真ん中の電極３０-2については、従来通りＬｉＮｂＯ3 基板１０の表面に配置していた。このような構成でも、従来と比較すると十分効率的に直線導波路２２，２３に対して電界を印加することができる。しかし、もちろんこの中央の電極３０-2についても、ＬｉＮｂＯ3 基板１０に凹部を形成し、そこに埋め込むようにしてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の光変調器によれば、導波路への電界集中を行い、実効的に電界強度を上げることができるので、印加する電圧に対してより効率よく変調を行うことができ、変調動作時の電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の光変調器の平面図であって、光変調器の構成を模式的に示した図である。
【図２】図１に示した光変調器のＡ−Ａにおける断面図である。
【図３】光変調器の導波路に対して印加される電界の状態を説明するための図であり、（Ａ）は図１に示した本発明に係わる変調器において導波路に対して印加される電界の状態を示す図であり、（Ｂ）は従来の変調器において導波路に対して印加される電界の状態を示す図である。
【図４】従来の光変調器の平行導波路部分の断面図である。
【符号の説明】
１…光変調器
１０…ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）基板
１１，１２…溝
２０…導波路
２１，２４…Ｙ型分岐導波路
２２，２３…直線導波路
３０…電極
９０…光変調器
９１…ＬｉＮｂＯ3 基板
９２…Ｔｉ拡散平行導波路
９３…電極
【図１】
0003740803.tif 000002
【図２】
0003740803.tif 000003
【図３】
0003740803.tif 000004
【図４】
0003740803.tif 000005