マッハツェンダ光導波路とそれを用いた光変調器
【課題】小型で低損失な光導波路を含むマッハツェンダ光導波路、および当該マッハツェンダ光導波路を具備し、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器を提供する。
【解決手段】基板上に、入力光導波路と、出力光導波路と、前記入力光導波路と前記出力光導波路とにそれぞれ接続され、前記入力光導波路からの光が入力される、または前記出力光導波路へ光を出力する分岐光導波路と、前記分岐光導波路に接続され、曲率半径を有して曲線上に形成されたアームと、前記アームに沿って前記基板の一部が掘り下げられた溝部とが形成されたリッジ型のマッハツェンダ光導波路であって、前記アームは、前記アームの根元部近傍において実質的に前記溝部が形成されておらず、当該実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの曲率半径が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの曲率半径よりも大きい。
【解決手段】基板上に、入力光導波路と、出力光導波路と、前記入力光導波路と前記出力光導波路とにそれぞれ接続され、前記入力光導波路からの光が入力される、または前記出力光導波路へ光を出力する分岐光導波路と、前記分岐光導波路に接続され、曲率半径を有して曲線上に形成されたアームと、前記アームに沿って前記基板の一部が掘り下げられた溝部とが形成されたリッジ型のマッハツェンダ光導波路であって、前記アームは、前記アームの根元部近傍において実質的に前記溝部が形成されておらず、当該実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの曲率半径が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの曲率半径よりも大きい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で低損失な光導波路を含むマッハツェンダ光導波路、および当該マッハツェンダ光導波路を具備し、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。
【０００３】
このような要望に応える光変調器として、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、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）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。
【０００４】
以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したＬＮ光変調器について説明し、その中で従来使用されて来た分岐光導波路や合波光導波路について述べる。なお、分岐光導波路と合波光導波路を総称して分岐光導波路、あるいはカプラと呼ぶこともある。
【０００５】
（第１の従来技術）
特許文献１に開示された、ｚ−カットＬＮ基板を用いて構成したプレーナ型ＬＮ光変調器を第１の従来技術の光変調器として図６にその斜視図を示す。なお、図７は図６のＡ−Ａ´線における断面図である。
【０００６】
ｚ−カットＬＮ基板１上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属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。したがって、光導波路３の電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路３ｄと３ｅ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。また、図７で使用されているように平坦なＬＮ基板に形成された光導波路をプレーナ光導波路と呼んでいる。
【０００７】
実際のＬＮ光変調器では、この光導波路３の上面にＳｉＯ２バッファ層２が形成され、このＳｉＯ２バッファ層２の上面に進行波電極４が形成されている。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）を用いている。なお、通常、進行波電極４は高価な貴金属材料であるＡｕにより形成されている。５はｚ−カットＬＮ基板１を用いて製作したＬＮ光変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するための導電層であり、通常はＳｉ導電層を用いる。なお、説明を簡単にするために、図６では図示したＳｉ導電層５を図７においては省略している。また、以下においてもＳｉ導電層５は省略して議論する。
【０００８】
変調用の高周波（ＲＦ）電気信号をこの光変調器の高周波電気信号給電線６を介して中心導体４ａと接地導体４ｂに供給すると、中心導体４ａと接地導体４ｂの間に電界が印加される。ｚ−カットＬＮ基板１は電気光学効果を有するので、この電界により屈折率変化を生じ、２本の相互作用光導波路３ｄ、３ｅを伝搬する光の位相にずれが発生する。このずれがπになった場合、光導波路３のマッハツェンダ光導波路としての合波部において、高次モードを励振し、光はＯＦＦ状態になる。なお、７は高周波電気信号出力線であり、終端抵抗で置き換えても良い。
【０００９】
図６に示した特許文献１の光変調器の特徴としては、１）中心導体４ａの幅Ｓを相互作用光導波路３ｄ、３ｅの幅とほぼ同じ６μｍ〜１２μｍ程度としている、２）中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップＷを１５〜６０μｍと広くしている、さらに３）相互作用光導波路３ｄ、３ｅを伝搬する光の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を構成する金属による吸収を抑えるためにのみ使用されてきたＳｉＯ２バッファ層２の比誘電率が４〜６と比較的低いことを利用してＳｉＯ２バッファ層２の厚みＤを４００ｎｍ〜１．５μｍ程度と厚くする、ことにより、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎｍを低減して、相互作用光導波路３ｄ、３ｅを導波する光の等価屈折率ｎｏに近づけるとともに、特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけている。
【００１０】
ここで、図８は図６において使用されている光導波路３の上面図である。３ａは入力光導波路、３ｂ（３ｇ）はＹ分岐（合波）光導波路（以降はともにＹ分岐光導波路と言う）、３ｃ（３ｆ）はＹ分岐（合波）光導波路のアーム（以降はともにＹ分岐光導波路のアームと言う）、３ｄと３ｅは相互作用光導波路、３ｈは出力光導波路である。なお、Ｙ分岐合波光導波路のアーム３ｆはＹ分岐光導波路３ｇのいわば入力光導波路となっている。
【００１１】
このように、ここでは光入力用カプラと光出力用カプラとしてＹ分岐光導波路を用いたが、多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラやゼロギャップ方向性結合器など、その他の構造の光導波路でも良いことは言うまでもない。
【００１２】
また、図８では入力光導波路３ａと出力光導波路３ｈは各々１本であるが、これに限るものではない。つまり、入力光導波路と出力光導波路は複数本あっても良い。
【００１３】
また図８において、入力光導波路３ａや出力光導波路３ｈの長さは入射したモードを安定させる、あるいは出射の際に高次モードを落とすためにある程度の長さが必要であり、それらに必要な長さはほぼ決まっている。またＹ分岐光導波路３ｂ、３ｇの長さも損失の観点からほぼ決まっている。さらに、パッケージ筐体の長さも決まっているので、ＬＮ光変調器のチップの長さもほぼ決まることになる。そのため、図８に示したＹ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆの長さＬ１とＬ３、及び相互作用光導波路３ｄと３ｅの長さ（この光と高周波電気信号が相互作用する領域の長さを、相互作用部の長さあるいは相互作用長という）Ｌ２の和Ｌｔは一定である。
【００１４】
図９には性能を評価する簡単な目安として、相互作用長Ｌ２に対するＤＣＶπ（静的な電圧における半波長電圧）を示す。図からわかるように、相互作用部の長さＬ２が長いほどＶπは低くなり、性能的に有利になると言える。このＤＣＶπと相互作用長Ｌ２はよくＶπ・Ｌ２として議論されるように性能指数として重要であり、相互作用長Ｌ２は長いほど駆動電圧を低減するためにも、また設計の自由度を増すためにも有利となる。その結果、ＬＮ光変調器としての重要な特性である高周波駆動電圧も相互作用光導波路３ｄと３ｅの長さＬ２により決定される。このように、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆの長さＬ１とＬ３を可能な限り短くすることが好ましい。
【００１５】
なお、以下の議論ではＹ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆは同一の構造をしていると仮定して議論するが、これらを互いに異ならしめても良いことはいうまでもない。
【００１６】
なお、図を簡単にするために、図８ではＹ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆを直線のように描いたが、実際には描画が簡単で、かつ挿入損失が低い円弧を組み合わせて使用するのが一般的である。
【００１７】
Ｙ分岐光導波路の具体的な構造を図１０に示す。ここで、プレーナ光導波路の構造を有するＹ分岐光導波路のアーム３ｃの曲率半径ＲＰは３０ｍｍ〜５０ｍｍ程度であり、アーム３ｃは１つの曲率半径ＲＰからなる円弧で構成されている。ここで、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃの長さをＬＰとする（つまり、図１０のＬＰは図８のＬ１とＬ３に対応する）。なお、以下ではＹ分岐光導波路について議論を進めるが、Ｙ合波光導波路についても同じ議論を当てはめることができる。
【００１８】
図７に示した第１の従来技術の構造により、中心導体４ａの幅Ｓが３０μｍ程度、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップＷが６μｍ程度、ＳｉＯ２バッファ層２の厚みＤが３００ｎｍ程度であった第１の従来技術以前の構造と比べて、光変調帯域、特性インピーダンスなど光変調器としての特性が大幅に改善できた。しかしながら、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなどについてさらに改善された特性が必要となり、次に述べる第２の従来技術として、いわゆるリッジ構造が提案された。
【００１９】
（第２の従来技術）
第１の従来技術をさらに高性能化するために特許文献２、特許文献３に提案されたリッジ構造を第２の従来技術として図１１（ａ）に示す。ここで、８ａは中心導体４ａの下のリッジ部、８ｂは接地導体４ｂの下のリッジ部、２はＳｉＯ２バッファ層である。９ａ、９ｂ、９ｃは基板１の一部が掘り下げられて形成された、溝部の底面（以降、単に溝部と言う）である。なお、９ａと９ｂの上方は空隙となっている。
【００２０】
また、図１１（ｂ）において１０ａ、１０ｂは中心導体４ａから出て接地導体４ｂ、４ｃに入る電気力線であり、相互作用光導波路３ｄ、３ｅに作用してそれらの屈折率を変化させる（あるいは、相互作用光導波路３ｄ、３ｅを伝搬する光と相互作用するとも言える）。
【００２１】
この第２の従来技術ではｚ−カットＬＮ基板１に８ａや８ｂなどのリッジ部が形成されているため、電気力線１０ａは溝部９ａの上方の空気を、電気力線１０ｂは溝部９ｂの上方の空気を感じる。その結果、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎｍがより低減して、相互作用光導波路３ｄ、３ｅを導波する光の等価屈折率ｎｏに近づく、あるいは特性インピーダンスが５０Ωに向かって高くなるという利点がある。さらに、電気力線１０ａ、１０ｂには比誘電率が高い領域に閉じこもる性質があるので、相互作用光導波路３ｄ、３ｅを伝搬する光との相互作用の効率が高くなり、結果的に駆動電圧を低減できる。通常、リッジ部８ａ、８ｂの高さとしては２〜１０μｍ程度、進行波電極の厚みとしては２０〜６０μｍ程度、ＳｉＯ２バッファ層２の厚みとしては３００ｎｍ〜１．５μｍ程度が使用される。なお、説明の簡単のために、図７と同じく、図１１（ａ）と図１１（ｂ）ではＳｉ導電層を省略している。
【００２２】
この第２の従来技術により、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなど、光変調器としての基本性能について図７に示した第１の従来技術よりも大幅に改善された特性が実現できる。
【００２３】
ここで、図１１（ａ）のリッジ構造を実現する工程（プロセス工程）の一例について図１２を用いて説明する。
【００２４】
工程（ａ）ではｚ−カットＬＮ基板１の上の全面にドライエッチング用マスク１１を堆積する。この時、ドライエッチング用マスク１１とｚ−カットＬＮ基板１の間にＳｉＯ２などの保護層を設けても良い。そして、ドライエッチング用マスク１１の上にフォトレジストを塗布し、そのフォトレジストを１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのようにパターニングする。
【００２５】
工程（ｂ）では、工程（ａ）で１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのようにパターニングしたフォトレジストを用いて、図１２の（ａ）におけるドライエッチング用マスク１１を、ウェットエッチングやドライエッチングにより１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄのようにパターニングした後、フォトレジスト１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを除去する。
【００２６】
工程（ｃ）では、ドライエッチング用マスク１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを用いて、イオンビーム１３によりｚ−カットＬＮ基板１をドライエッチングする。ここで、８ａ、８ｂはリッジ部、９ａ、９ｂ、９ｃは溝部である。
【００２７】
工程（ｄ）では、ドライエッチング用マスク１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを除去する。これで、リッジ構造が完成する。
【００２８】
ここで、図１１（ａ）や図１２からわかるようにリッジ部８ａ、８ｂは台形の形状となる。これはｚ−カットＬＮ基板１のドライエッチング時に１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄがサイドエッチングされるために生じる。そして後述するように、このことがＹ分岐光導波路などにおける光の挿入損失に大きな影響を与えることになる。なお、この台形の角度（つまり、ｚ−カットＬＮ基板１の表面に平行な方向に対するリッジ部８ａと８ｂの側面の角度）は５０°〜８５°程度である。
【００２９】
図１３は図１１（ａ）に示したリッジ構造の光導波路におけるＹ分岐光導波路である。図１３では、リッジ部８ａ、８ｂの側壁を８ａ´、８ｂ´として指示している。この場合においても、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃは円弧を組み合わせて構成されており、１つの曲率半径ＲＲからなる円弧で構成されている。
【００３０】
図１４（ａ）、（ｂ）は各々図１３のＢ−Ｂ´とＣ−Ｃ´における断面図である。図１３において説明したように、リッジ部８ａ、８ｂは台形となる。従って、図１４のＢ−Ｂ´における断面図では、図１４（ａ）に示したように光導波路３ｄと３ｅの間の溝部９ｂが消失し、リッジ構造（あるいはリッジ光導波路構造）とならずにプレーナ構造（あるいはプレーナ光導波路構造）となる。一方、図１３のＣ−Ｃ´における断面図では図１４（ｂ）に示したように溝部９ｂが形成され、リッジ構造をなしている。
【００３１】
なお、後における説明を簡単にするために、図１３に示したリッジ型Ｙ分岐光導波路の光導波路のみを図１５に示す。図１０に示したプレーナ型Ｙ分岐光導波路と同じく、レチクルの描画の簡単さと挿入損の低さから図１４のリッジ型Ｙ分岐光導波路のアームも円弧により構成されている。ここで、その曲率半径をＲＲとするとその値は２ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。
【００３２】
図１６には図１０に第１の従来技術で使用するプレーナ光導波路構造のＹ分岐光導波路と、図１３に第２の従来技術で使用するリッジ光導波路構造のＹ分岐光導波路について、Ｙ分岐光導波路における１本のアームの曲率半径ＲＰ、ＲＲに対するそれらの挿入損失を各々点線と実線で示す。また、図には第１の従来技術と第２の従来技術におけるＹ分岐光導波路のアーム３ｃの全長を各々ＬＰ、ＬＲとして示している。図１６に示した光の挿入損失は、いわば図１０や図１３に示したＹ分岐光導波路における１本のアームにより形成されるＳベンド光導波路による損失に対応している。
【００３３】
図１６からわかるように、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃがプレーナ光導波路からなる第１の従来技術では円弧の曲率半径ＲＰが小さくなると、挿入損失が急速に増加する。そのため、実際のデバイスでは３０ｍｍ〜５０ｍｍ程度と大きな曲率半径を使用するのが普通である。
【００３４】
一方、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃにリッジ光導波路を使用する第２の従来技術では、円弧の曲率半径ＲＲが小さくなっても第１の従来技術ほどには挿入損失は増加しないものの、図１４（ａ）に示すように、図１３のＢ−Ｂ´の部分はプレーナ光導波路であるので、円弧の曲率半径ＲＲが小さくなるとこの部分での挿入損失が急速に増加する。図１６のＲＲが小さな場合において、プレーナ光導波路構造である第１の従来技術についての結果からその様子を見ることができる。
【００３５】
参考のために、図１６には全体が完全にリッジ光導波路からなるＳベンド光導波路の挿入損失を一点鎖線で示している。このように、全体が完全にリッジ光導波路からなるＳベンド光導波路では円弧の曲率半径が小さくなっても光の挿入損失の増加を抑圧できる。
【００３６】
以上のように、図７に示した第１の従来技術ではＹ分岐光導波路がプレーナ光導波路構造であるため、ベンド光導波路の曲率半径ＲＰを大きく設定する必要があり、図８におけるＹ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆの長さＬ１とＬ３が長くなった。そのため高周波電気信号と光が相互作用する相互作用長Ｌ２が短くなり、高周波駆動電圧が高くなってしまうという問題があった。
【００３７】
一方、図１３に示す第２の従来技術におけるリッジ型Ｙ分岐光導波路では、図１４（ａ）、（ｂ）に示すようにプレーナ光導波路とリッジ光導波路の両方の構造を有している。そして、図１５からわかるようにこのＹ分岐光導波路は一つの曲率半径ＲＲからなる２つの円弧により形成されている。その結果、図１４（ａ）の円弧における光の挿入損失を抑えるために曲率半径ＲＲとして大きな値を選択すると、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ（と３ｆ）の長さＬ１（とＬ３）が長くなるので、相互作用部の長さＬ２が短くなる。その結果、高周波駆動電圧が高くなってしまうという問題があった。
【００３８】
さらに、図１４（ｂ）のリッジ光導波路構造に着目し、小さな曲率半径ＲＲを選択することにより、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ、３ｆの長さＬ１、Ｌ３を短くできるので相互作用長Ｌ２を長くできる。しかしながら、プレーナ光導波路構造である図１４（ａ）の領域における挿入損失が光デバイスとして許容できないほど増加してしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３９】
【特許文献１】特開平２−５１１２３号公報
【特許文献２】特開平３−２２９２１４号公報
【特許文献３】特開平４−２８８５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４０】
以上のように、プレーナ光導波路構造のＹ分岐光導波路ではそのアームを構成する円弧の曲率半径が小さいと挿入損失が急増する。そのためプレーナ光導波路からなる第１の従来技術ではＹ分岐光導波路のアームの曲率半径を大きくすることにより光の挿入損失を抑えるとＹ分岐光導波路のアームが長くなる。その結果、相互作用長が短くなり、駆動電圧が高くなった。またリッジ光導波路を用いる第２の従来技術においては、Ｙ分岐光導波路のアームが、曲率半径が小さいと光の挿入損失が大きくなってしまうプレーナ光導波路と、曲率半径が小さくても光の挿入損失を小さく抑えることのできるリッジ光導波路の両方からなっていた。さらに、これらは１つの曲率半径からなる円弧で構成されていた。そのため、プレーナ光導波路の部分における挿入損失を抑えるためにその円弧の曲率半径を大きくするとＹ分岐光導波路のアーム全体としての長さが長くなるので、光と高周波電気信号が相互作用する相互作用部が短くなり、結果的に高周波駆動電圧が高くなった。一方、その円弧の曲率半径を小さくするとＹ分岐光導波路のアームの長さを短くできるので相対的に相互作用長を長くすることが可能となる。その結果、高周波駆動電圧を抑圧することができるものの、プレーナ光導波路の部分における損失増加のために、光デバイスとして許容できないほど光の挿入損失が大きくなるという問題が生じていた。このように、曲率半径が小さくても挿入損失を抑えることのできるリッジ光導波路を用いる分岐光導波路において、光の挿入損失を低く抑え、かつそのアームの長さを短くできる構造と、これを用いることにより低損失で駆動電圧が小さなＬＮ光変調器の実現が急務であった。
【００４１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、優れた分岐光導波路や合波光導波路を用いることにより、光変調特性が高性能であるとともに、光の挿入損失が改善された光変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４２】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のマッハツェンダ光導波路は、基板上に、入力光導波路と、出力光導波路と、前記入力光導波路と前記出力光導波路とにそれぞれ接続され、前記入力光導波路からの光が入力される、または前記出力光導波路へ光を出力する分岐光導波路と、前記分岐光導波路に接続され、曲率半径を有して曲線上に形成されたアームと、前記アームに沿って前記基板の一部が掘り下げられた溝部とが形成されたリッジ型のマッハツェンダ光導波路であって、前記アームは、前記アームの根元部近傍において実質的に前記溝部が形成されておらず、当該実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの曲率半径が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの曲率半径よりも大きいことを特徴としている。
【００４３】
上記課題を解決するために、本発明の請求項２に記載のマッハツェンダ光導波路は、請求項１に記載のマッハツェンダ光導波路において、前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数の絶対値が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数の絶対値よりも大きいことを特徴としている。
【００４４】
上記課題を解決するために、本発明の請求項３に記載のマッハツェンダ光導波路は、請求項１または２に記載のマッハツェンダ光導波路において、前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数と、前記溝部が形成されている領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数とが、各々の中心線の交点において一致することを特徴としている。
【００４５】
上記課題を解決するために、本発明の請求項４に記載の光変調器は、電気光学効果を有する前記基板上に、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマッハツェンダ光導波路が形成され、前記基板の一方の面側に、前記マッハツェンダ光導波路を導波する光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる電極が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００４６】
本発明では、プレーナ光導波路構造とリッジ光導波路構造の両方を具備する分岐（合波）光導波路のアームが複数の曲率半径を有する。そして、そのプレーナ光導波路の曲率半径は、リッジ光導波路の曲率半径よりも大きい。これによりプレーナ光導波路の領域における光の挿入損失を極力抑えることが可能となる。また、リッジ光導波路の曲率半径は小さいので光の挿入損失を小さく抑えたまま長手方向の長さを短くすることができる。その結果、光と高周波電気信号の相互作用長を長くすることが可能となるので、全体として光の挿入損失を抑えつつ、高周波電気信号の駆動電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態に適用するＹ分岐光導波路についての概略構成図を示す上面図
【図２】本発明の第１の実施形態に適用するＹ分岐光導波路のみについての概略構成図を示す上面図
【図３】本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の最適構成を説明する図
【図４】本発明の第１の実施形態の動作原理を説明する図
【図５】本発明の第２の実施形態のＹ分岐光導波路についての概略構成図を示す上面図
【図６】第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図
【図７】図６のＡ−Ａ´における断面図
【図８】第１の従来技術の光導波路についての概略構成を示す上面図
【図９】第１の従来技術の光変調器についての動作原理を説明する図
【図１０】第１の従来技術の光変調器のＹ分岐光導波路についての概略構成図を示す上面図
【図１１】（ａ）第２の従来技術の光変調器についての概略構成を示す断面図、（ｂ）第２の従来技術の光変調器についての動作原理を説明する図
【図１２】第２の従来技術の光変調器についての製作工程を説明する図
【図１３】第２の従来技術の光変調器のＹ分岐光導波路についての概略構成図を示す上面図
【図１４】（ａ）図１３のＢ−Ｂ´における断面図、（ｂ）図１３のＣ−Ｃ´における断面図
【図１５】第２の従来技術の光変調器のＹ分岐光導波路のみについての概略構成図を示す上面図
【図１６】第１の従来技術と第２の従来技術の光変調器が有するＹ分岐光導波路の問題点を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図６から図１６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。
【００４９】
（第１の実施形態）
分岐（合波）光導波路としてＹ分岐光導波路を例にとり、その上面図を図１に示す。光の入出力を入れ替えればＹ合波導波路についても同じ議論が当てはまることは言うまでもない。本発明では、Ｙ分岐光導波路のアーム（Ｓベンド）がプレーナ光導波路の構造（ここでは、幾分リッジ構造の要素はあっても充分なリッジ光導波路とはいえず、プレーナ光導波路に近い構造もこう呼ぶ）と（いわば）完全なリッジ光導波路の構造からなっている。プレーナ光導波路とリッジ光導波路は各々図１中のＢ−Ｂ´とＣ−Ｃ´に対応している。
【００５０】
図１中、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ´がプレーナ光導波路（あるいはそれに近い）構造の領域では曲率半径ＲＰ´の円弧とし、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ´´が充分リッジ光導波路の構造となっている領域では曲率半径ＲＲの円弧としている。そして、ＲＰ´＞ＲＲと設定する。
【００５１】
図１において、一点鎖線２０は曲率半径ＲＰ´の円弧からなるＹ分岐光導波路アーム３ｃ´の幅の中心線を表し、点線２１は曲率半径ＲＲの円弧からなるＹ分岐光導波路アーム３ｃ´´の幅の中心線を表している。また、３ｉはＹ分岐光導波路アーム３ｃ´の幅の中心線２０とＹ分岐光導波路アーム３ｃ´´の幅方向の中心線２１が交差する点、つまり中心線２０と中心線２１の交点である。
【００５２】
図２にはＹ分岐光導波路のみを示す。このように、本発明ではＹ分岐光導波路のアームが複数の曲率半径の円弧から構成されている。ここで、３ｃ´と３ｃ´´からなるＹ分岐光導波路のアームの長さをＬＰＲとする。
【００５３】
なお、光の挿入損失の増加を抑えるには、図３に示すように曲率半径ＲＰの円弧からなる領域３ｃ´の光導波路についての中心線２０と、曲率半径ＲＲの円弧からなる領域３ｃ´´の光導波路についての中心線２１の微係数は中心線２０と２１の交点３ｉにおいて一致することが望ましい。図３の２２は、交点３ｉにおける中心線２０と中心線２１の長手方法の座標に対する微係数であり、両者は一致している。
【００５４】
図４には横軸に本発明におけるリッジ光導波路の構造を有するＹ分岐光導波路のアーム３ｃ´´の曲率半径ＲＲに対する挿入損失を示す。参考のために、図１０に示すＹ分岐光導波路のアーム３ｃが１つの曲率半径ＲＰの円弧からなる第１の従来技術と、図１３に示すＹ分岐光導波路のアーム３ｃが１つの曲率半径ＲＲの円弧からなる第２の従来技術についての結果も図に示す。
【００５５】
なお、図１と図２に示した本発明におけるプレーナ光導波路の構造（あるいは、リッジとしての光の閉じ込め効果が弱く、ほぼプレーナ光導波路といえる構造）であるＹ分岐光導波路のアーム３ｃ´の曲率半径ＲＰ´は充分大きな値である３０ｍｍとした。そのため、この領域における挿入損失の増加はほとんどない。一方、Ｙ分岐光導波路のアーム３Ｃ´´は完全にリッジ光導波路の構造なので、曲率半径ＲＲが小さくても光の挿入損失は小さい。
【００５６】
従って、本発明を適用することにより、光の挿入損失を増加することなく、Ｙ分岐光導波路のアームの長さ（図２のＬＰＲ）を短くすることができるので光と高周波電気信号が相互作用する相互作用長を長くすることができ、結果的に駆動電圧を低減できるという優れた利点を生み出すことができる。
【００５７】
なお、これまでＹ分岐光導波路のアーム３ｃ´は円弧により構成されているとして議論したが、これは円弧がレチクルを作成するのに容易であることと、挿入損失が低いことによる。また本発明の動作原理についての説明が容易であるためでもある。
【００５８】
従って、本発明においてはＹ分岐のアーム３´が円弧以外の曲線であっても良い。あるいは、プレーナ光導波路が無限大の円弧を有する円弧と解釈できる直線が構成要素に含まれていても良い。そしてこれらのことは本発明の全ての実施形態についても成り立つ。勿論であるが、以上の議論はＹ分岐（合波）回路についても成り立つことは言うまでも無い。
【００５９】
（第２の実施形態）
図５は本発明に適用するＹ分岐光導波路の第２の実施形態である。本実施形態では図からわかるように、第１の実施形態と比較して、プレーナ光導波路の構造を有するＹ分岐光導波路のアーム３ｃ´の長さが長い。従って、Ｙ分岐光導波路のアームの長さという観点では第１の実施形態よりも若干不利ではあるが、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ´´はリッジ光導波路の構造となっているので、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ´´を構成する円弧の曲率半径ＲＲをＹ分岐光導波路のアームｃ´を構成する円弧の曲率半径ＲＰ´よりも小さくすることにより、本発明の効果を発揮できる。
【００６０】
（各実施形態）
光入力用カプラや光出力用カプラの例としてＹ分岐型の１ｘ２分岐光導波路について採り上げたが、プレーナ光導波路構造とリッジ光導波路構造の両方がある限り本発明を適用できる。つまり、多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラやゼロギャップカプラを用いた２ｘ２でも良いし、それ以上の光導波路を有するカプラであっても良い。また強度変調器でも良いし、ＤＱＰＳＫ、ＤＰＳＫのような位相変調型のＬＮ光変調器、さらには光変調器以外の光デバイスにも適用できることは言うまでもない。要は本発明はリッジ光導波路とプレーナ光導波路が共存する光デバイスに適用可能である。
【００６１】
また、光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できる。
【００６２】
また、ｚ−カットＬＮ基板について説明したが、ｘ−カットやｙ−カットなどその他の面方位のＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレート基板、さらには半導体基板など異なる材料の基板でも良い。さらに、電極は進行波電極として説明してきたが、原理的には集中定数電極でも良いので、本明細書における電極は集中定数電極も含むものとする。
【符号の説明】
【００６３】
１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ２バッファ層（バッファ層）
３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ：マッハツェンダ光導波路を構成する入力光導波路
３ｂ、３ｇ：マッハツェンダ光導波路を構成するＹ分岐光導波路
３ｃ、３ｃ´、３ｃ´´、３ｆ：マッハツェンダ光導波路を構成するＹ分岐光導波路のアーム
３ｄ、３ｅ：マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
３ｈ：マッハツェンダ光導波路を構成する出力光導波路
３ｉ：中心線２０と中心線２１の交点
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５：Ｓｉ導電層
６：高周波（ＲＦ）電気信号給電線
７：高周波（ＲＦ）電気信号出力線
８ａ：リッジ部（中心導体用リッジ部）
８ｂ：リッジ部（接地導体用リッジ部）
９ａ、９ｂ、９ｃ：溝部
１０ａ、１０ｂ：電気力線
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ：ドライエッチング用マスク
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ：フォトレジスト
１３：イオンビーム
２０：Ｙ分岐光導波路アーム３ｃ´の幅の中心線
２１：Ｙ分岐光導波路アーム３ｃ´´の幅の中心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で低損失な光導波路を含むマッハツェンダ光導波路、および当該マッハツェンダ光導波路を具備し、光導波路に入射した光を高周波電気信号で変調して光信号パルスとして出射する光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速、大容量の光通信システムが実用化されている。このような高速、大容量の光通信システムに組込むための高速、小型、低価格、かつ高安定な光変調器の開発が求められている。
【０００３】
このような要望に応える光変調器として、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、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）がある。このＬＮ光変調器は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ／ｓ、１０Ｇｂｉｔ／ｓの大容量光通信システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ／ｓの超大容量光通信システムにも適用が検討されている。
【０００４】
以下、従来、実用化され、又は提唱されてきたリチウムナイオベートの電気光学効果を利用したＬＮ光変調器について説明し、その中で従来使用されて来た分岐光導波路や合波光導波路について述べる。なお、分岐光導波路と合波光導波路を総称して分岐光導波路、あるいはカプラと呼ぶこともある。
【０００５】
（第１の従来技術）
特許文献１に開示された、ｚ−カットＬＮ基板を用いて構成したプレーナ型ＬＮ光変調器を第１の従来技術の光変調器として図６にその斜視図を示す。なお、図７は図６のＡ−Ａ´線における断面図である。
【０００６】
ｚ−カットＬＮ基板１上に光導波路３が形成されている。この光導波路３は、金属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。したがって、光導波路３の電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）には２本の相互作用光導波路３ｄと３ｅ、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームが形成されている。また、図７で使用されているように平坦なＬＮ基板に形成された光導波路をプレーナ光導波路と呼んでいる。
【０００７】
実際のＬＮ光変調器では、この光導波路３の上面にＳｉＯ２バッファ層２が形成され、このＳｉＯ２バッファ層２の上面に進行波電極４が形成されている。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）を用いている。なお、通常、進行波電極４は高価な貴金属材料であるＡｕにより形成されている。５はｚ−カットＬＮ基板１を用いて製作したＬＮ光変調器に特有の焦電効果に起因する温度ドリフトを抑圧するための導電層であり、通常はＳｉ導電層を用いる。なお、説明を簡単にするために、図６では図示したＳｉ導電層５を図７においては省略している。また、以下においてもＳｉ導電層５は省略して議論する。
【０００８】
変調用の高周波（ＲＦ）電気信号をこの光変調器の高周波電気信号給電線６を介して中心導体４ａと接地導体４ｂに供給すると、中心導体４ａと接地導体４ｂの間に電界が印加される。ｚ−カットＬＮ基板１は電気光学効果を有するので、この電界により屈折率変化を生じ、２本の相互作用光導波路３ｄ、３ｅを伝搬する光の位相にずれが発生する。このずれがπになった場合、光導波路３のマッハツェンダ光導波路としての合波部において、高次モードを励振し、光はＯＦＦ状態になる。なお、７は高周波電気信号出力線であり、終端抵抗で置き換えても良い。
【０００９】
図６に示した特許文献１の光変調器の特徴としては、１）中心導体４ａの幅Ｓを相互作用光導波路３ｄ、３ｅの幅とほぼ同じ６μｍ〜１２μｍ程度としている、２）中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップＷを１５〜６０μｍと広くしている、さらに３）相互作用光導波路３ｄ、３ｅを伝搬する光の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を構成する金属による吸収を抑えるためにのみ使用されてきたＳｉＯ２バッファ層２の比誘電率が４〜６と比較的低いことを利用してＳｉＯ２バッファ層２の厚みＤを４００ｎｍ〜１．５μｍ程度と厚くする、ことにより、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎｍを低減して、相互作用光導波路３ｄ、３ｅを導波する光の等価屈折率ｎｏに近づけるとともに、特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけている。
【００１０】
ここで、図８は図６において使用されている光導波路３の上面図である。３ａは入力光導波路、３ｂ（３ｇ）はＹ分岐（合波）光導波路（以降はともにＹ分岐光導波路と言う）、３ｃ（３ｆ）はＹ分岐（合波）光導波路のアーム（以降はともにＹ分岐光導波路のアームと言う）、３ｄと３ｅは相互作用光導波路、３ｈは出力光導波路である。なお、Ｙ分岐合波光導波路のアーム３ｆはＹ分岐光導波路３ｇのいわば入力光導波路となっている。
【００１１】
このように、ここでは光入力用カプラと光出力用カプラとしてＹ分岐光導波路を用いたが、多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラやゼロギャップ方向性結合器など、その他の構造の光導波路でも良いことは言うまでもない。
【００１２】
また、図８では入力光導波路３ａと出力光導波路３ｈは各々１本であるが、これに限るものではない。つまり、入力光導波路と出力光導波路は複数本あっても良い。
【００１３】
また図８において、入力光導波路３ａや出力光導波路３ｈの長さは入射したモードを安定させる、あるいは出射の際に高次モードを落とすためにある程度の長さが必要であり、それらに必要な長さはほぼ決まっている。またＹ分岐光導波路３ｂ、３ｇの長さも損失の観点からほぼ決まっている。さらに、パッケージ筐体の長さも決まっているので、ＬＮ光変調器のチップの長さもほぼ決まることになる。そのため、図８に示したＹ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆの長さＬ１とＬ３、及び相互作用光導波路３ｄと３ｅの長さ（この光と高周波電気信号が相互作用する領域の長さを、相互作用部の長さあるいは相互作用長という）Ｌ２の和Ｌｔは一定である。
【００１４】
図９には性能を評価する簡単な目安として、相互作用長Ｌ２に対するＤＣＶπ（静的な電圧における半波長電圧）を示す。図からわかるように、相互作用部の長さＬ２が長いほどＶπは低くなり、性能的に有利になると言える。このＤＣＶπと相互作用長Ｌ２はよくＶπ・Ｌ２として議論されるように性能指数として重要であり、相互作用長Ｌ２は長いほど駆動電圧を低減するためにも、また設計の自由度を増すためにも有利となる。その結果、ＬＮ光変調器としての重要な特性である高周波駆動電圧も相互作用光導波路３ｄと３ｅの長さＬ２により決定される。このように、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆの長さＬ１とＬ３を可能な限り短くすることが好ましい。
【００１５】
なお、以下の議論ではＹ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆは同一の構造をしていると仮定して議論するが、これらを互いに異ならしめても良いことはいうまでもない。
【００１６】
なお、図を簡単にするために、図８ではＹ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆを直線のように描いたが、実際には描画が簡単で、かつ挿入損失が低い円弧を組み合わせて使用するのが一般的である。
【００１７】
Ｙ分岐光導波路の具体的な構造を図１０に示す。ここで、プレーナ光導波路の構造を有するＹ分岐光導波路のアーム３ｃの曲率半径ＲＰは３０ｍｍ〜５０ｍｍ程度であり、アーム３ｃは１つの曲率半径ＲＰからなる円弧で構成されている。ここで、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃの長さをＬＰとする（つまり、図１０のＬＰは図８のＬ１とＬ３に対応する）。なお、以下ではＹ分岐光導波路について議論を進めるが、Ｙ合波光導波路についても同じ議論を当てはめることができる。
【００１８】
図７に示した第１の従来技術の構造により、中心導体４ａの幅Ｓが３０μｍ程度、中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間のギャップＷが６μｍ程度、ＳｉＯ２バッファ層２の厚みＤが３００ｎｍ程度であった第１の従来技術以前の構造と比べて、光変調帯域、特性インピーダンスなど光変調器としての特性が大幅に改善できた。しかしながら、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなどについてさらに改善された特性が必要となり、次に述べる第２の従来技術として、いわゆるリッジ構造が提案された。
【００１９】
（第２の従来技術）
第１の従来技術をさらに高性能化するために特許文献２、特許文献３に提案されたリッジ構造を第２の従来技術として図１１（ａ）に示す。ここで、８ａは中心導体４ａの下のリッジ部、８ｂは接地導体４ｂの下のリッジ部、２はＳｉＯ２バッファ層である。９ａ、９ｂ、９ｃは基板１の一部が掘り下げられて形成された、溝部の底面（以降、単に溝部と言う）である。なお、９ａと９ｂの上方は空隙となっている。
【００２０】
また、図１１（ｂ）において１０ａ、１０ｂは中心導体４ａから出て接地導体４ｂ、４ｃに入る電気力線であり、相互作用光導波路３ｄ、３ｅに作用してそれらの屈折率を変化させる（あるいは、相互作用光導波路３ｄ、３ｅを伝搬する光と相互作用するとも言える）。
【００２１】
この第２の従来技術ではｚ−カットＬＮ基板１に８ａや８ｂなどのリッジ部が形成されているため、電気力線１０ａは溝部９ａの上方の空気を、電気力線１０ｂは溝部９ｂの上方の空気を感じる。その結果、高周波電気信号のマイクロ波等価屈折率ｎｍがより低減して、相互作用光導波路３ｄ、３ｅを導波する光の等価屈折率ｎｏに近づく、あるいは特性インピーダンスが５０Ωに向かって高くなるという利点がある。さらに、電気力線１０ａ、１０ｂには比誘電率が高い領域に閉じこもる性質があるので、相互作用光導波路３ｄ、３ｅを伝搬する光との相互作用の効率が高くなり、結果的に駆動電圧を低減できる。通常、リッジ部８ａ、８ｂの高さとしては２〜１０μｍ程度、進行波電極の厚みとしては２０〜６０μｍ程度、ＳｉＯ２バッファ層２の厚みとしては３００ｎｍ〜１．５μｍ程度が使用される。なお、説明の簡単のために、図７と同じく、図１１（ａ）と図１１（ｂ）ではＳｉ導電層を省略している。
【００２２】
この第２の従来技術により、光変調帯域、駆動電圧、特性インピーダンスなど、光変調器としての基本性能について図７に示した第１の従来技術よりも大幅に改善された特性が実現できる。
【００２３】
ここで、図１１（ａ）のリッジ構造を実現する工程（プロセス工程）の一例について図１２を用いて説明する。
【００２４】
工程（ａ）ではｚ−カットＬＮ基板１の上の全面にドライエッチング用マスク１１を堆積する。この時、ドライエッチング用マスク１１とｚ−カットＬＮ基板１の間にＳｉＯ２などの保護層を設けても良い。そして、ドライエッチング用マスク１１の上にフォトレジストを塗布し、そのフォトレジストを１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのようにパターニングする。
【００２５】
工程（ｂ）では、工程（ａ）で１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのようにパターニングしたフォトレジストを用いて、図１２の（ａ）におけるドライエッチング用マスク１１を、ウェットエッチングやドライエッチングにより１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄのようにパターニングした後、フォトレジスト１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを除去する。
【００２６】
工程（ｃ）では、ドライエッチング用マスク１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを用いて、イオンビーム１３によりｚ−カットＬＮ基板１をドライエッチングする。ここで、８ａ、８ｂはリッジ部、９ａ、９ｂ、９ｃは溝部である。
【００２７】
工程（ｄ）では、ドライエッチング用マスク１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを除去する。これで、リッジ構造が完成する。
【００２８】
ここで、図１１（ａ）や図１２からわかるようにリッジ部８ａ、８ｂは台形の形状となる。これはｚ−カットＬＮ基板１のドライエッチング時に１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄがサイドエッチングされるために生じる。そして後述するように、このことがＹ分岐光導波路などにおける光の挿入損失に大きな影響を与えることになる。なお、この台形の角度（つまり、ｚ−カットＬＮ基板１の表面に平行な方向に対するリッジ部８ａと８ｂの側面の角度）は５０°〜８５°程度である。
【００２９】
図１３は図１１（ａ）に示したリッジ構造の光導波路におけるＹ分岐光導波路である。図１３では、リッジ部８ａ、８ｂの側壁を８ａ´、８ｂ´として指示している。この場合においても、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃは円弧を組み合わせて構成されており、１つの曲率半径ＲＲからなる円弧で構成されている。
【００３０】
図１４（ａ）、（ｂ）は各々図１３のＢ−Ｂ´とＣ−Ｃ´における断面図である。図１３において説明したように、リッジ部８ａ、８ｂは台形となる。従って、図１４のＢ−Ｂ´における断面図では、図１４（ａ）に示したように光導波路３ｄと３ｅの間の溝部９ｂが消失し、リッジ構造（あるいはリッジ光導波路構造）とならずにプレーナ構造（あるいはプレーナ光導波路構造）となる。一方、図１３のＣ−Ｃ´における断面図では図１４（ｂ）に示したように溝部９ｂが形成され、リッジ構造をなしている。
【００３１】
なお、後における説明を簡単にするために、図１３に示したリッジ型Ｙ分岐光導波路の光導波路のみを図１５に示す。図１０に示したプレーナ型Ｙ分岐光導波路と同じく、レチクルの描画の簡単さと挿入損の低さから図１４のリッジ型Ｙ分岐光導波路のアームも円弧により構成されている。ここで、その曲率半径をＲＲとするとその値は２ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。
【００３２】
図１６には図１０に第１の従来技術で使用するプレーナ光導波路構造のＹ分岐光導波路と、図１３に第２の従来技術で使用するリッジ光導波路構造のＹ分岐光導波路について、Ｙ分岐光導波路における１本のアームの曲率半径ＲＰ、ＲＲに対するそれらの挿入損失を各々点線と実線で示す。また、図には第１の従来技術と第２の従来技術におけるＹ分岐光導波路のアーム３ｃの全長を各々ＬＰ、ＬＲとして示している。図１６に示した光の挿入損失は、いわば図１０や図１３に示したＹ分岐光導波路における１本のアームにより形成されるＳベンド光導波路による損失に対応している。
【００３３】
図１６からわかるように、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃがプレーナ光導波路からなる第１の従来技術では円弧の曲率半径ＲＰが小さくなると、挿入損失が急速に増加する。そのため、実際のデバイスでは３０ｍｍ〜５０ｍｍ程度と大きな曲率半径を使用するのが普通である。
【００３４】
一方、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃにリッジ光導波路を使用する第２の従来技術では、円弧の曲率半径ＲＲが小さくなっても第１の従来技術ほどには挿入損失は増加しないものの、図１４（ａ）に示すように、図１３のＢ−Ｂ´の部分はプレーナ光導波路であるので、円弧の曲率半径ＲＲが小さくなるとこの部分での挿入損失が急速に増加する。図１６のＲＲが小さな場合において、プレーナ光導波路構造である第１の従来技術についての結果からその様子を見ることができる。
【００３５】
参考のために、図１６には全体が完全にリッジ光導波路からなるＳベンド光導波路の挿入損失を一点鎖線で示している。このように、全体が完全にリッジ光導波路からなるＳベンド光導波路では円弧の曲率半径が小さくなっても光の挿入損失の増加を抑圧できる。
【００３６】
以上のように、図７に示した第１の従来技術ではＹ分岐光導波路がプレーナ光導波路構造であるため、ベンド光導波路の曲率半径ＲＰを大きく設定する必要があり、図８におけるＹ分岐光導波路のアーム３ｃと３ｆの長さＬ１とＬ３が長くなった。そのため高周波電気信号と光が相互作用する相互作用長Ｌ２が短くなり、高周波駆動電圧が高くなってしまうという問題があった。
【００３７】
一方、図１３に示す第２の従来技術におけるリッジ型Ｙ分岐光導波路では、図１４（ａ）、（ｂ）に示すようにプレーナ光導波路とリッジ光導波路の両方の構造を有している。そして、図１５からわかるようにこのＹ分岐光導波路は一つの曲率半径ＲＲからなる２つの円弧により形成されている。その結果、図１４（ａ）の円弧における光の挿入損失を抑えるために曲率半径ＲＲとして大きな値を選択すると、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ（と３ｆ）の長さＬ１（とＬ３）が長くなるので、相互作用部の長さＬ２が短くなる。その結果、高周波駆動電圧が高くなってしまうという問題があった。
【００３８】
さらに、図１４（ｂ）のリッジ光導波路構造に着目し、小さな曲率半径ＲＲを選択することにより、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ、３ｆの長さＬ１、Ｌ３を短くできるので相互作用長Ｌ２を長くできる。しかしながら、プレーナ光導波路構造である図１４（ａ）の領域における挿入損失が光デバイスとして許容できないほど増加してしまうという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３９】
【特許文献１】特開平２−５１１２３号公報
【特許文献２】特開平３−２２９２１４号公報
【特許文献３】特開平４−２８８５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４０】
以上のように、プレーナ光導波路構造のＹ分岐光導波路ではそのアームを構成する円弧の曲率半径が小さいと挿入損失が急増する。そのためプレーナ光導波路からなる第１の従来技術ではＹ分岐光導波路のアームの曲率半径を大きくすることにより光の挿入損失を抑えるとＹ分岐光導波路のアームが長くなる。その結果、相互作用長が短くなり、駆動電圧が高くなった。またリッジ光導波路を用いる第２の従来技術においては、Ｙ分岐光導波路のアームが、曲率半径が小さいと光の挿入損失が大きくなってしまうプレーナ光導波路と、曲率半径が小さくても光の挿入損失を小さく抑えることのできるリッジ光導波路の両方からなっていた。さらに、これらは１つの曲率半径からなる円弧で構成されていた。そのため、プレーナ光導波路の部分における挿入損失を抑えるためにその円弧の曲率半径を大きくするとＹ分岐光導波路のアーム全体としての長さが長くなるので、光と高周波電気信号が相互作用する相互作用部が短くなり、結果的に高周波駆動電圧が高くなった。一方、その円弧の曲率半径を小さくするとＹ分岐光導波路のアームの長さを短くできるので相対的に相互作用長を長くすることが可能となる。その結果、高周波駆動電圧を抑圧することができるものの、プレーナ光導波路の部分における損失増加のために、光デバイスとして許容できないほど光の挿入損失が大きくなるという問題が生じていた。このように、曲率半径が小さくても挿入損失を抑えることのできるリッジ光導波路を用いる分岐光導波路において、光の挿入損失を低く抑え、かつそのアームの長さを短くできる構造と、これを用いることにより低損失で駆動電圧が小さなＬＮ光変調器の実現が急務であった。
【００４１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、優れた分岐光導波路や合波光導波路を用いることにより、光変調特性が高性能であるとともに、光の挿入損失が改善された光変調器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４２】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のマッハツェンダ光導波路は、基板上に、入力光導波路と、出力光導波路と、前記入力光導波路と前記出力光導波路とにそれぞれ接続され、前記入力光導波路からの光が入力される、または前記出力光導波路へ光を出力する分岐光導波路と、前記分岐光導波路に接続され、曲率半径を有して曲線上に形成されたアームと、前記アームに沿って前記基板の一部が掘り下げられた溝部とが形成されたリッジ型のマッハツェンダ光導波路であって、前記アームは、前記アームの根元部近傍において実質的に前記溝部が形成されておらず、当該実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの曲率半径が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの曲率半径よりも大きいことを特徴としている。
【００４３】
上記課題を解決するために、本発明の請求項２に記載のマッハツェンダ光導波路は、請求項１に記載のマッハツェンダ光導波路において、前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数の絶対値が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数の絶対値よりも大きいことを特徴としている。
【００４４】
上記課題を解決するために、本発明の請求項３に記載のマッハツェンダ光導波路は、請求項１または２に記載のマッハツェンダ光導波路において、前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数と、前記溝部が形成されている領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数とが、各々の中心線の交点において一致することを特徴としている。
【００４５】
上記課題を解決するために、本発明の請求項４に記載の光変調器は、電気光学効果を有する前記基板上に、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマッハツェンダ光導波路が形成され、前記基板の一方の面側に、前記マッハツェンダ光導波路を導波する光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる電極が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００４６】
本発明では、プレーナ光導波路構造とリッジ光導波路構造の両方を具備する分岐（合波）光導波路のアームが複数の曲率半径を有する。そして、そのプレーナ光導波路の曲率半径は、リッジ光導波路の曲率半径よりも大きい。これによりプレーナ光導波路の領域における光の挿入損失を極力抑えることが可能となる。また、リッジ光導波路の曲率半径は小さいので光の挿入損失を小さく抑えたまま長手方向の長さを短くすることができる。その結果、光と高周波電気信号の相互作用長を長くすることが可能となるので、全体として光の挿入損失を抑えつつ、高周波電気信号の駆動電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態に適用するＹ分岐光導波路についての概略構成図を示す上面図
【図２】本発明の第１の実施形態に適用するＹ分岐光導波路のみについての概略構成図を示す上面図
【図３】本発明の第１の実施形態に係わる光変調器の最適構成を説明する図
【図４】本発明の第１の実施形態の動作原理を説明する図
【図５】本発明の第２の実施形態のＹ分岐光導波路についての概略構成図を示す上面図
【図６】第１の従来技術の光変調器についての概略構成を示す斜視図
【図７】図６のＡ−Ａ´における断面図
【図８】第１の従来技術の光導波路についての概略構成を示す上面図
【図９】第１の従来技術の光変調器についての動作原理を説明する図
【図１０】第１の従来技術の光変調器のＹ分岐光導波路についての概略構成図を示す上面図
【図１１】（ａ）第２の従来技術の光変調器についての概略構成を示す断面図、（ｂ）第２の従来技術の光変調器についての動作原理を説明する図
【図１２】第２の従来技術の光変調器についての製作工程を説明する図
【図１３】第２の従来技術の光変調器のＹ分岐光導波路についての概略構成図を示す上面図
【図１４】（ａ）図１３のＢ−Ｂ´における断面図、（ｂ）図１３のＣ−Ｃ´における断面図
【図１５】第２の従来技術の光変調器のＹ分岐光導波路のみについての概略構成図を示す上面図
【図１６】第１の従来技術と第２の従来技術の光変調器が有するＹ分岐光導波路の問題点を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明の実施形態について説明するが、図６から図１６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。
【００４９】
（第１の実施形態）
分岐（合波）光導波路としてＹ分岐光導波路を例にとり、その上面図を図１に示す。光の入出力を入れ替えればＹ合波導波路についても同じ議論が当てはまることは言うまでもない。本発明では、Ｙ分岐光導波路のアーム（Ｓベンド）がプレーナ光導波路の構造（ここでは、幾分リッジ構造の要素はあっても充分なリッジ光導波路とはいえず、プレーナ光導波路に近い構造もこう呼ぶ）と（いわば）完全なリッジ光導波路の構造からなっている。プレーナ光導波路とリッジ光導波路は各々図１中のＢ−Ｂ´とＣ−Ｃ´に対応している。
【００５０】
図１中、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ´がプレーナ光導波路（あるいはそれに近い）構造の領域では曲率半径ＲＰ´の円弧とし、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ´´が充分リッジ光導波路の構造となっている領域では曲率半径ＲＲの円弧としている。そして、ＲＰ´＞ＲＲと設定する。
【００５１】
図１において、一点鎖線２０は曲率半径ＲＰ´の円弧からなるＹ分岐光導波路アーム３ｃ´の幅の中心線を表し、点線２１は曲率半径ＲＲの円弧からなるＹ分岐光導波路アーム３ｃ´´の幅の中心線を表している。また、３ｉはＹ分岐光導波路アーム３ｃ´の幅の中心線２０とＹ分岐光導波路アーム３ｃ´´の幅方向の中心線２１が交差する点、つまり中心線２０と中心線２１の交点である。
【００５２】
図２にはＹ分岐光導波路のみを示す。このように、本発明ではＹ分岐光導波路のアームが複数の曲率半径の円弧から構成されている。ここで、３ｃ´と３ｃ´´からなるＹ分岐光導波路のアームの長さをＬＰＲとする。
【００５３】
なお、光の挿入損失の増加を抑えるには、図３に示すように曲率半径ＲＰの円弧からなる領域３ｃ´の光導波路についての中心線２０と、曲率半径ＲＲの円弧からなる領域３ｃ´´の光導波路についての中心線２１の微係数は中心線２０と２１の交点３ｉにおいて一致することが望ましい。図３の２２は、交点３ｉにおける中心線２０と中心線２１の長手方法の座標に対する微係数であり、両者は一致している。
【００５４】
図４には横軸に本発明におけるリッジ光導波路の構造を有するＹ分岐光導波路のアーム３ｃ´´の曲率半径ＲＲに対する挿入損失を示す。参考のために、図１０に示すＹ分岐光導波路のアーム３ｃが１つの曲率半径ＲＰの円弧からなる第１の従来技術と、図１３に示すＹ分岐光導波路のアーム３ｃが１つの曲率半径ＲＲの円弧からなる第２の従来技術についての結果も図に示す。
【００５５】
なお、図１と図２に示した本発明におけるプレーナ光導波路の構造（あるいは、リッジとしての光の閉じ込め効果が弱く、ほぼプレーナ光導波路といえる構造）であるＹ分岐光導波路のアーム３ｃ´の曲率半径ＲＰ´は充分大きな値である３０ｍｍとした。そのため、この領域における挿入損失の増加はほとんどない。一方、Ｙ分岐光導波路のアーム３Ｃ´´は完全にリッジ光導波路の構造なので、曲率半径ＲＲが小さくても光の挿入損失は小さい。
【００５６】
従って、本発明を適用することにより、光の挿入損失を増加することなく、Ｙ分岐光導波路のアームの長さ（図２のＬＰＲ）を短くすることができるので光と高周波電気信号が相互作用する相互作用長を長くすることができ、結果的に駆動電圧を低減できるという優れた利点を生み出すことができる。
【００５７】
なお、これまでＹ分岐光導波路のアーム３ｃ´は円弧により構成されているとして議論したが、これは円弧がレチクルを作成するのに容易であることと、挿入損失が低いことによる。また本発明の動作原理についての説明が容易であるためでもある。
【００５８】
従って、本発明においてはＹ分岐のアーム３´が円弧以外の曲線であっても良い。あるいは、プレーナ光導波路が無限大の円弧を有する円弧と解釈できる直線が構成要素に含まれていても良い。そしてこれらのことは本発明の全ての実施形態についても成り立つ。勿論であるが、以上の議論はＹ分岐（合波）回路についても成り立つことは言うまでも無い。
【００５９】
（第２の実施形態）
図５は本発明に適用するＹ分岐光導波路の第２の実施形態である。本実施形態では図からわかるように、第１の実施形態と比較して、プレーナ光導波路の構造を有するＹ分岐光導波路のアーム３ｃ´の長さが長い。従って、Ｙ分岐光導波路のアームの長さという観点では第１の実施形態よりも若干不利ではあるが、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ´´はリッジ光導波路の構造となっているので、Ｙ分岐光導波路のアーム３ｃ´´を構成する円弧の曲率半径ＲＲをＹ分岐光導波路のアームｃ´を構成する円弧の曲率半径ＲＰ´よりも小さくすることにより、本発明の効果を発揮できる。
【００６０】
（各実施形態）
光入力用カプラや光出力用カプラの例としてＹ分岐型の１ｘ２分岐光導波路について採り上げたが、プレーナ光導波路構造とリッジ光導波路構造の両方がある限り本発明を適用できる。つまり、多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラやゼロギャップカプラを用いた２ｘ２でも良いし、それ以上の光導波路を有するカプラであっても良い。また強度変調器でも良いし、ＤＱＰＳＫ、ＤＰＳＫのような位相変調型のＬＮ光変調器、さらには光変調器以外の光デバイスにも適用できることは言うまでもない。要は本発明はリッジ光導波路とプレーナ光導波路が共存する光デバイスに適用可能である。
【００６１】
また、光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できる。
【００６２】
また、ｚ−カットＬＮ基板について説明したが、ｘ−カットやｙ−カットなどその他の面方位のＬＮ基板でも良いし、リチウムタンタレート基板、さらには半導体基板など異なる材料の基板でも良い。さらに、電極は進行波電極として説明してきたが、原理的には集中定数電極でも良いので、本明細書における電極は集中定数電極も含むものとする。
【符号の説明】
【００６３】
１：ｚ−カットＬＮ基板（ＬＮ基板）
２：ＳｉＯ２バッファ層（バッファ層）
３：マッハツェンダ光導波路（光導波路）
３ａ：マッハツェンダ光導波路を構成する入力光導波路
３ｂ、３ｇ：マッハツェンダ光導波路を構成するＹ分岐光導波路
３ｃ、３ｃ´、３ｃ´´、３ｆ：マッハツェンダ光導波路を構成するＹ分岐光導波路のアーム
３ｄ、３ｅ：マッハツェンダ光導波路を構成する相互作用光導波路
３ｈ：マッハツェンダ光導波路を構成する出力光導波路
３ｉ：中心線２０と中心線２１の交点
４：進行波電極
４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ：接地導体
５：Ｓｉ導電層
６：高周波（ＲＦ）電気信号給電線
７：高周波（ＲＦ）電気信号出力線
８ａ：リッジ部（中心導体用リッジ部）
８ｂ：リッジ部（接地導体用リッジ部）
９ａ、９ｂ、９ｃ：溝部
１０ａ、１０ｂ：電気力線
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ：ドライエッチング用マスク
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ：フォトレジスト
１３：イオンビーム
２０：Ｙ分岐光導波路アーム３ｃ´の幅の中心線
２１：Ｙ分岐光導波路アーム３ｃ´´の幅の中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、
入力光導波路と、
出力光導波路と、
前記入力光導波路と前記出力光導波路とにそれぞれ接続され、前記入力光導波路からの光が入力される、または前記出力光導波路へ光を出力する分岐光導波路と、
前記分岐光導波路に接続され、曲率半径を有して曲線上に形成されたアームと、
前記アームに沿って前記基板の一部が掘り下げられた溝部とが形成されたリッジ型のマッハツェンダ光導波路であって、
前記アームは、前記アームの根元部近傍において実質的に前記溝部が形成されておらず、
当該実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの曲率半径が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの曲率半径よりも大きいことを特徴とするマッハツェンダ光導波路。
【請求項２】
前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数の絶対値が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のマッハツェンダ光導波路。
【請求項３】
前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数と、前記溝部が形成されている領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数とが、各々の中心線の交点において一致することを特徴とする請求項１または２に記載のマッハツェンダ光導波路。
【請求項４】
電気光学効果を有する前記基板上に、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマッハツェンダ光導波路が形成され、
前記基板の一方の面側に、前記マッハツェンダ光導波路を導波する光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる電極が形成されていることを特徴とする光変調器。
【請求項１】
基板上に、
入力光導波路と、
出力光導波路と、
前記入力光導波路と前記出力光導波路とにそれぞれ接続され、前記入力光導波路からの光が入力される、または前記出力光導波路へ光を出力する分岐光導波路と、
前記分岐光導波路に接続され、曲率半径を有して曲線上に形成されたアームと、
前記アームに沿って前記基板の一部が掘り下げられた溝部とが形成されたリッジ型のマッハツェンダ光導波路であって、
前記アームは、前記アームの根元部近傍において実質的に前記溝部が形成されておらず、
当該実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの曲率半径が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの曲率半径よりも大きいことを特徴とするマッハツェンダ光導波路。
【請求項２】
前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数の絶対値が、前記溝部が形成されている領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のマッハツェンダ光導波路。
【請求項３】
前記実質的に溝部が形成されていない領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数と、前記溝部が形成されている領域における前記アームの幅方向における中心線に対する前記基板の長手方向の座標についての微係数とが、各々の中心線の交点において一致することを特徴とする請求項１または２に記載のマッハツェンダ光導波路。
【請求項４】
電気光学効果を有する前記基板上に、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマッハツェンダ光導波路が形成され、
前記基板の一方の面側に、前記マッハツェンダ光導波路を導波する光を変調する高周波電気信号を印加する中心導体及び接地導体からなる電極が形成されていることを特徴とする光変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−１１２６７０（Ｐ２０１１−１１２６７０Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６６００４（Ｐ２００９−２６６００４）
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【Ｆターム（参考）】
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