JP2001004967A

JP2001004967A - 光導波路素子

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Publication number: JP2001004967A
Application number: JP11174103A
Authority: JP
Inventors: Toru Sugamata; 徹菅又; Yasuyuki Miyama; 靖之深山; Yoshihiro Hashimoto; 義浩橋本
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2001-01-12
Anticipated expiration: 2019-06-21
Also published as: JP3660529B2

Abstract

(57)【要約】【課題】動作点シフトを生じることのない、高い信頼
性と高い安定性を有する新たな光導波路素子を提供す
る。【解決手段】本発明の光導波路素子３０は、電気光学
効果を有する材料からなる基板２１と、この基板の主面
に形成されたマッハツエンダー型光導波路２７と、この
光導波路中を導波する光波を制御するための信号電極２
４及び接地電極２５−１及び２５−２とを具える。そし
て、接地電極２５−２を、前記マッハツエンダー型光導
波路２７の長さ方向において、分断幅ｄ１が信号電極２
４と接地電極２５−１とのギャップｇ１とに等しくなる
ように分断し、マッハツエンダー型光導波路２７の変調
領域Ｗ１において、信号電極２４、並びに接地電極２５
−１及び２５−２が分岐光導波路２３−１及び２３−２
の中心Ｉ−Ｉに対して対称となるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光導波路素子に関
し、さらに詳しくは、高速・大容量光ファイバ通信シス
テムにおける高速光変調器などに好適に用いることので
きる光導波路素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速・大容量光ファイバ通信シス
テムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、光
導波路素子を用いた高速光変調器が実用化され、広く用
いられるようになってきている。このような光導波路素
子は一般に以下に示すような構成を有する。図１は、従
来の高速光変調器に用いられる光導波素子の一例の概略
を示す断面図である。図２は、同じく従来の高速光変調
器に用いられる光導波素子の他の例の概略を示す断面図
である。

【０００３】図１に示す光導波路素子１０は、電気光学
効果を有する材料のＺカット板からなる基板１と、その
上に形成されたバッファ層２とを有している。さらに、
基板１内にチタン内拡散法などにより形成された光導波
路３−１及び３−２を有している。この光導波路３−１
及び３−２は対をなし、マッハツエンダー型光導波路を
構成している。

【０００４】また、バッファ層２上においては、光導波
路３−１中を導波する光波に変調信号を印加するための
信号電極４と、接地電極５−１及び５−２とを有してい
る。そして、基板１にＺカット板を使用する場合は、図
１に示すように信号電極４は光導波路３−１上に位置す
るように形成する。接地電極５−１及び５−２は信号電
極４に対して対向電極の役割を果たし、これらによって
形成される電極インピーダンスが外部インピーダンスで
ある５０Ωにマッチングし、かつ駆動電圧を低減できる
ように可能な限り接近させて形成する。

【０００５】図２に示す光導波路素子２０は、電気光学
効果を有する材料のＸカット板からなる基板１１と、そ
の上に形成されたバッファ層１２とを有している。さら
に、図１と同様に、マッハツエンダー型光導波路を構成
する光導波路１３−１及び１３−２を基板１１内に有し
ている。さらに、バッファ層１２上において、前記同様
に信号電極１４並びに接地電極１５−１及び１５−２を
有している。なお、基板１１にＸカット板を使用する場
合、信号電極１４は光導波路１３−１の側面側に位置す
るように形成して、チャープタイプとなるようにする。
また、接地電極１５−１及び１５−２は前記同様に対向
電極としての作用を果たす。

【０００６】図１及び２に示す光導波路素子１０及び２
０においては、信号電極４及び１４に所定の半波長電圧
を印加し、光導波路３−１及び１３−１中を導波する光
波の位相を、光導波路３−２及び１３−２中を導波する
光波の位相に対してπシフトさせることによって、光信
号のオン／オフを行う。上記半波長電圧は、光強度変調
曲線上において予め所定の動作点を設定しておき、この
動作点を基準として上記位相がπシフトする電圧から算
出する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１及
び２に示すような従来の光導波路素子においては、これ
らの素子を光変調器として長時間使用した場合に、上記
動作点がシフトしてしまうという問題が生じていた。こ
のため、光信号をオン／オフするために印加していた半
波長電圧が当初に設定した値からずれてしまい、前記光
信号のオン／オフを良好に行うことができない場合があ
った。したがって、これらの光導波路素子を高速・大容
量の光ファイバ通信システムの光変調器として使用した
場合に、これらのシステムに要求される高信頼性と高安
定性という条件を満足できない場合があった。

【０００８】本発明は、動作点シフトを生じることのな
い、高い信頼性を有する新たな光導波路素子を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の光導波路素子
は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、この基
板の主面に形成されたマッハツエンダー型光導波路と、
この光導波路中を導波する光波を制御するための変調用
電極とを具える。そして、前記変調用電極は前記マッハ
ツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の
一方を導波する光波を変調するための信号電極と、この
信号電極に対して対向電極の役割を有する接地電極とか
らなる。さらに、前記変調用電極の前記基板側の下地面
が、前記マッハツエンダー型光導波路の変調領域におい
て、前記２本の分岐光導波路間の中心に対して実質的に
左右対称であることを特徴とする。

【００１０】本発明者らは、上記した動作点シフトの原
因見出すべく鋭意検討を行った。そして、動作点のシフ
ト生じさせる主要因としてＤＣドリフトと温度ドリフト
との２種類が存在することに着目し、これらの観点から
詳細な検討を行った。その結果、ＤＣバイアスを印加し
ない場合においても、上記したような動作点シフトが生
じることを発見し、上記動作点シフトにＤＣドリフトは
関係しないことを見出した。そこで、本発明者らは温度
ドリフトの観点からさらに詳細な検討を行った。そし
て、図１及び２に示す光導波路素子１０及び２０におけ
る光導波路３−１及び３−２、並びに光導波路１３−１
及び１３−２の周辺形状の相違に着目した。

【００１１】その結果、本発明者らは、基板１及び１１
の上に形成された信号電極４及び１４、並びに接地電極
５−１及び５−２、１５−１及び１５−２の形状、大き
さを変化させることにより、動作点シフトが顕著に変化
することを見出した。すなわち、信号電極及び接地電極
の形状及び大きさが変化することにより、光導波路素子
の動作中における温度上昇によって、これら電極の基板
に及ぼす応力が変化する。その結果、光導波路周辺の屈
折率が変化し、この屈折率変化が光導波路へも影響する
ために前記のような動作点シフトを生じさせるものであ
る。

【００１２】例えば、図１に示す光導波路素子１０の場
合においては、信号電極４並びに接地電極５−１及び５
−２は形状及び大きさともに異なるため、温度上昇によ
ってこれらが基板１に対して及ぼす応力もそれぞれ異な
ってくる。したがって、信号電極４近傍の屈折率変化と
接地電極５−１及び５−２近傍の屈折率変化は互いに異
なるようになり、これによって光導波路３−１及び３−
２が受ける屈折率変化の影響が異なってくる。このた
め、光導波路素子１０において温度ドリフトに起因した
動作点シフトが生じるものである。

【００１３】本発明は、上記のような長年の検討の結果
によってなされたものである。本発明においては、マッ
ハツエンダー型の光導波路を具える光導波路素子におい
て、信号電極や接地電極からなる変調用電極の基板との
接触面を、前記マッハツエンダー型光導波路を構成する
２本の分岐光導波路、例えば、図１に示す光導波路３−
１及び３−２間の中心Ｉ−Ｉに対して左右対称になるよ
うにしている。したがって、温度上昇時における前記変
調用電極から基板に負荷される応力が、前記２本の分岐
光導波路の中心に対して左右対称となるために、前記２
本の分岐光導波路のそれぞれに対する屈折率変化の影響
が同一となる。その結果、光導波路素子全体として、温
度ドリフトによる動作点シフトを防止することができる
ものである。

【００１４】このように本発明の光導波路素子は、高い
信頼性と高い安定性を有するために、高速・大容量の光
ファイバ通信システムなどの高速光変調器として好適に
使用することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。図３は、本発明の光導波路
素子の好ましい態様の一例を示す平面概略図である。図
４は、図３に示す光導波路素子をＡ−Ａ面に沿って切っ
た場合の断面図である。なお、図３及び４並びに以下に
示す図においては、本発明の特徴を明確に説明すべく、
各部の大きさ及び縮尺などについては実際のものとは異
なって描いている。

【００１６】図３及び４に示す光導波路素子３０は、電
気光学効果を有する材料のＺカット板からなる基板２１
と、この基板２１の上に形成されたバッファ層２２とを
具えている。そして、基板２１内にはチタン内拡散法な
どによって形成された光導波路２３−１及び２３−２を
具えている。この光導波路２３−１及び２３−２は互い
に対をなし、マッハツエンダー型光導波路２７を構成し
ている。

【００１７】また、バッファ層２２上において、光導波
路２３−１上に位置するようにして形成された信号電極
２４と、この信号電気２４に対して対向電極としての作
用を有する接地電極２５−１及び２５−２とを有してい
る。さらに、接地電極２５−２は、マッハツエンダー型
光導波路２７の変調領域において、前記マッハツエンダ
ー型光導波路２７の長さ方向において分断されている。
この分断部分は、その幅ｄ１が信号電極２４と接地電極
２５−１とのギャップｇ１と等しくなるように形成す
る。そして、その分断された部分にＡｌなどの導電性材
料からなる薄膜２６が形成されている。なお、図中Ｗ１
で示される領域は、マッハツエンダー型光導波路２７の
変調領域を示す。

【００１８】このように図３及び４に示す光導波路素子
３０は、接地電極２５−２をマッハツエンダー型光導波
路２７の長さ方向において分断している。そして、その
分断部分の幅ｄ１が信号電極２４と接地電極２５−１と
のギャップｇ１とに等しくなっている。このため、図４
に示すように、信号電極２４と接地電極２５−１及び２
５−２は、マッハツエンダー型光導波路２７の変調領域
Ｗ１において、このマッハツエンダー型光導波路２７を
構成する２本の分岐光導波路である光導波路２３−１及
び２３−２の中心II―IIに対して左右対称になってい
る。したがって、温度上昇により信号電極２４などの基
板に対する応力によって生じる屈折率変化が、光導波路
２３−１及び２３−２において同一となるため、動作点
シフトが生じる事なく高い信頼性の元に光導波路素子３
０を使用することができる。

【００１９】なお、図３及び４に示す光導波路素子３０
においては、接地電極２５−２の分断した箇所に導電性
材料からなる薄膜２６を形成している。これにより、分
断したことによって生じる接地電極２５−２の導通性の
劣化を補うことができ、高周波特性の劣化を抑圧するこ
とができる。しかしながら、薄膜２６を形成しない場合
においても本発明の目的を十分に達成することができ
る。また、薄膜２６は信号電極２４などと比べると厚さ
が薄く、剛性的にも十分低いために、薄膜２６を形成す
ることによって本発明の目的が阻害されることはない。
薄膜２６を構成する導電性材料としては、上記Ａｌの他
にＣｕ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ａｕ、及びＴｉを例示することが
できる。

【００２０】また、図３及び４においては、基板２１上
にバッファ層２２を設けているが、本発明においてバッ
ファ層を設けることは必ずしも必要とされない。但し、
バッファ層を形成することにより、前記したような導波
光の伝搬損失を低減することができる。

【００２１】図５は、本発明の光導波路素子の好ましい
態様の他の例を示す平面概略図である。図６は、図５に
示す光導波路素子をＢ−Ｂ面に沿って切った場合の断面
図である。図５及び６に示す光導波路素子４０は、電気
光学効果を有する材料のＸカット板からなる基板３１
と、この基板３１の上に形成されたバッファ層３２とを
具えている。そして、前記同様に、基板３１内にはマッ
ハツエンダー型光導波路３７を構成する光導波路３３−
１及び３３−２を具えている。

【００２２】また、バッファ層３２上において、光導波
路３３−１の側面側に位置するようにして形成された信
号電極３４と、この信号電極３４に対して対向電極とし
ての作用を有する接地電極３５−１及び３５−２とを有
している。さらに、接地電極３５−２は、マッハツエン
ダー型光導波路３７の変調領域において、前記マッハツ
エンダー型光導波路３７の長さ方向において分断されて
いる。この際、分断部分は、その幅ｄ２が信号電極３４
と接地電極３５−１とのギャップｇ２と等しくなるよう
に形成されている。そして、その分断された部分に前記
同様に導電性材料からなる薄膜３６が形成されている。
なお、図中Ｗ２で示される領域は、マッハツエンダー型
光導波路３７の変調領域を示す。

【００２３】図５及び６に示す光導波路素子４０は、図
３及び４に示す光導波路素子３０と基板を構成する材料
のカット面、及びこれに伴う信号電極などの配置が若干
異なる点で相違している。

【００２４】図５及び６に示す光導波路素子４０におい
ても、接地電極３５−２をマッハツエンダー型光導波路
３７の長さ方向において分断し、その幅ｄ２が信号電極
３４と接地電極３５−１とのギャップｇ２と等しくなる
ように形成されている。したがって、図６に示すよう
に、マッハツエンダー型光導波路３７の変調領域Ｗ２に
おいて、信号電極３４と接地電極３５−１及び３５−２
が、このマッハツエンダー型光導波路３７を構成する２
本の分岐光導波路である光導波路３３−１及び３３−２
の中心III ―III に対して左右対称になっている。この
ため、温度上昇により信号電極３４などの基板に対する
応力によって生じる屈折率変化が、光導波路３３−１及
び３３−２において同一となるため、動作点シフトが生
じる事なく高い信頼性の元に光導波路素子４０を使用す
ることができる。

【００２５】なお、薄膜３６を設けることにより、前記
同様の効果を得ることができるが、本発明においては必
須の要素ではない。また、薄膜３６についても薄膜２６
と同様の導電性材料から構成することができる。さら
に、上記したように薄膜３６を設けた場合においても本
発明の目的が阻害されることはない。また、前記同様に
バッファ層３２は本発明において必須の要素ではなく、
バッファ層３２を設けない場合においても、本発明の目
的を十分に達成することができる。

【００２６】以上図３〜６においては、マッハツエンダ
ー型光導波路の変調領域において、信号電極及び接地電
極からなる変調用電極が、マッハツエンダー型光導波路
を構成する２本の分岐光導波路間の中心に対して左右対
称である場合について説明した。しかしながら、変調用
電極自体、すなわち変調用電極形状及び大きさが分岐光
導波路間の中心に対して対称である必要はなく、変調用
電極の基板と接する面、あるいは変調用電極のバッファ
層と接する面が、前記中心に対して対称であればよい。

【００２７】

【実施例】以下、実施例において本発明を具体的に説明
する。実施例１本実施例においては、図３及び４に示すような光導波路
素子３０を作製した。ニオブ酸リチウム単結晶のＺカッ
ト板を基板２１として用い、この基板上にフォトレジス
トによってマッハツエンダー型の光導波路パターンを作
製した。次いで、このパターン上に蒸着法によってチタ
ンを堆積させた。その後、基板全体を９５０〜１０５０
℃で１０〜２０時間加熱することによって、前記チタン
を基板２１内部へ拡散し、マッハツエンダー型光導波路
２７を作製した。次いで、基板２１上に酸化シリコンか
らなるバッファ層２２を厚さ０．５μｍに形成した。

【００２８】その後、接地電極の分断部分を形成すべき
箇所に開口部を形成したマスクを用い、蒸着法及びメッ
キ法を併用することによって金（Ａｕ）からなる信号電
極２４と、接地電極２５−１及び２５−２とを厚さ１５
μｍに形成した。次いで、この分断された部分に、蒸着
法によってＡｌからなる薄膜２６を厚さ２０００Åに形
成した。なお、前記分断部分の幅ｄ１は、信号電極２４
と接地電極２５−１とのギャップｇ１と等しく２５μｍ
に形成した。その後、このようにして作製した光導波路
素子３０のマッハツエンダー型光導波路２７の入出力口
に光ファイバを接続し、温度を０〜７０℃に変化させた
時の動作点シフトを調べた。その結果、前記動作点シフ
トは０．３Ｖであった。

【００２９】実施例２本実施例においては、図５及び６に示すような光導波路
素子４０を作製した。基板３１としてニオブ酸リチウム
単結晶のＸカット板を用いた以外は、実施例１と同様に
して光導波路素子４０を作製した。この光導波路素子４
０の動作点シフトを実施例１と同様にして調べた結果、
０．２Ｖであった。

【００３０】比較例１本比較例においては、図１に示すような光導波路素子１
０を作製した。この光導波路素子１０の作製において
は、接地電極を分断して導電性材料からなる薄膜を形成
しなかった以外は、実施例１と同様にして実施した。ま
た、得られた光導波路素子１０に対して実施例１と同様
にして動作点シフトを調べた。その結果、動作点シフト
は１．８Ｖであった。

【００３１】比較例２本比較例においては、図２に示すような光導波路素子２
０を作製した。この光導波路素子２０の作製において
は、接地電極を分断して導電性材料からなる薄膜を形成
しなかった以外は、実施例２と同様にして実施した。ま
た、得られた光導波路素子２０に対して実施例１と同様
にして動作点シフトを調べた。その結果、動作点シフト
は１．０Ｖであった。

【００３２】以上実施例及び比較例から明らかなよう
に、本発明にしたがって得た光導波路素子は動作点シフ
トが小さく、温度上昇による変調用電極が基板に対して
及ぼす応力がほぼ一定であり、屈折率変化がほぼ一定で
あることが分かる。したがって、本発明の光導波路素子
は、高い信頼性と安定性とを有することが分かる。

【００３３】以上、本発明について具体例を挙げながら
発明の実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明
は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を
逸脱しない範囲においてあらゆる変形や変更が可能であ
る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波路
素子は、長時間使用した場合においても温度ドリフトに
よる動作点シフトがほとんど生じない。そのため、長期
信頼性及び安定性が要求される高速・大容量の光ファイ
バ通信システムなどに好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光導波路素子の一例を示す断面図であ
る。

【図２】従来の光導波路素子の他の例を示す断面図で
ある。

【図３】本発明の光導波路素子の一例を示す平面概略
図である。

【図４】図３に示す光導波路素子をＡ−Ａ線に沿って
切った断面図である。

【図５】本発明の光導波路素子の他の例を示す平面概
略図である。

【図６】図５に示す光導波路素子をＢ−Ｂ線に沿って
切った断面図である。

【符号の説明】

１、１１、２１、３１基板２、１２、２２、３２バッファ層３―１、３−２、１３−１、１３−２、２３−１、２３
−２、３３−１、３３−２（分岐）光導波路４、１４、２４、３４信号電極５−１、５−２、１５−１、１５−２、２５−１、２５
−２、３５−１、３５−２接地電極１０、２０、３０、４０光導波路素子２６、３６薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者橋本義浩千葉県船橋市豊富町585番地住友大阪セメント株式会社新規技術研究所内Ｆターム(参考） 2H047 KA04 LA12 NA02 QA03 RA08 2H079 AA02 AA12 BA01 BA03 CA05 DA03 EA05 EB05 EB12 HA23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学効果を有する材料からなる基板
と、この基板の主面に形成されたマッハツエンダー型光
導波路と、この光導波路中を導波する光波を制御するた
めの変調用電極とを具え、前記変調用電極は前記マッハ
ツエンダー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路の
一方を導波する光波を変調するための信号電極と、この
信号電極に対して実質的に対向電極の役割を有する接地
電極とからなる光導波路素子であって、前記変調用電極の前記基板側の下面が、前記マッハツエ
ンダー型光導波路の変調領域において、前記２本の分岐
光導波路間の中心に対して実質的に左右対称であること
を特徴とする、光導波路素子。
【請求項２】前記接地電極は、前記マッハツエンダー型
光導波路の変調領域において、前記マッハツエンダー型
光導波路の長さ方向において分断されていることを特徴
とする、請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】前記接地電極の前記マッハツエンダー型
光導波路の長さ方向において分断された部分に、導電性
材料からなる薄膜を形成したことを特徴とする、請求項
１又は２に記載の光導波路素子。
【請求項４】前記変調用電極は、前記マッハツエンダ
ー型光導波路の変調領域において、前記マッハツエンダ
ー型光導波路を構成する２本の分岐光導波路間の中心に
対して実質的に左右対称に形成されていることを特徴と
する、請求項１〜３のいずれか一に記載の光導波路素
子。