JP2004333949A - 光導波路型素子 - Google Patents

Abstract

【課題】バッファー層無し構造で、ＴＥおよびＴＭモード双方の入射偏光に対して電極による光伝播損失が許容範囲に入るような電極ギャップおよび電極材質を選択することにより実用的な光導波路型素子を提供することを目的とする。
【解決手段】電気光学効果を持つ１軸性結晶基板上に光学軸と平行に光導波路型の干渉計を形成し、その光導波路の両側に金属物質からなる電極対が前記結晶基板と電極対との間に絶縁体の層を挟むことなく配された光導波路型素子であって、前記電極を導波路から、使用光波長に依存する一定距離以上、かつ一定距離以下とすることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバー通信、光ファイバー計測において光波の強度、位相、偏光状態を制御するための光導波路型素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバー通信系および計測系において必要とされる光処理の中で、集積化の容易さ、高効率の利点から光導波路型素子が用いられている。その光導波路型素子としては、光強度変調器、光スイッチ、可変光減衰器（以後ＶＯＡ）等が導波路技術をもとにした技術で開発され実用に供されている。例えば、ＶＯＡ素子では、熱光学効果を利用した石英系光導波路を用いた素子が盛んに研究されている。これは光導波路上に形成された金属薄膜ヒーターを熱源としてマッハツェンダー干渉計の一方のアーム導波路に熱光学効果によって屈折率変化を生じさせ、干渉計の出力強度を調整するものであり、例えば可変光減衰方法および可変光減衰器等が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、これら石英系光導波路素子はヒーターによる導波路基板の加熱を屈折率変化の手段として用いているため、数１００マイクロ秒から数１０ミリ秒の応答速度でしか駆動せず、高速応答性が要求される用途には不向きである。
【０００３】
一方、ニオブ酸リチウム（以後説明の便宜上「ＬＮ」と略称する）光導波路を用いた素子は１マイクロ秒以下の応答速度を有し、しかも電圧による駆動のため必要な電流は極わずかであるから、熱光学効果方式のＶＯＡ素子と比較して遥かに消費電力が少なくて済む利点もある。このため、ＬＮを用いたＶＯＡ素子（導波路型可変光減衰器）が提案されている（特許文献２参照）。
【０００４】
ＬＮ基板を用いた従来の光導波路型素子として、ＬＮ基板の表面に平行で光波伝播方向に垂直方向に電場を印加するタイプの２個の光位相シフターが平行に並んだ光回路構造を有しているものが知られている。この素子の作製方法としては、例えばフォトリソグラフィー技術によってＬＮ基板１上に幅が１０μｍ程度のＴｉ金属のストライプを作成した後、当該基板を１０００℃近辺の高温にさらすことによりＴｉ金属を基板内部に拡散させる。その結果、深さ５μｍ、幅１０μｍ程度のＴｉ原子分布が生じ、Ｔｉ原子濃度にほぼ比例して屈折率の上昇が引き起こされ、この屈折率の上昇領域が導波路となる。光ファイバー通信系の大多数で、１．３μｍないし１．５μｍ波長の光波に対して単一モード動作が要求され、以上のような大きさの屈折率上昇領域で単一モードが励振される。さらに、導波路の直上または両側に金属薄膜の制御電極を形成し、この電極に電圧を印加することにより屈折率変化を生じさせる。
このような光導波路素子では、バッファー層を形成するのが一般的である。バッファー層は光導波路内を伝搬する光波が制御電極によって吸収されることを防ぐ目的で形成される。特に１．３μｍや１．５μｍ波長の光波に対しては二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）が用いられる。
しかしながら、この素子の場合はバッファー層によってＤＣドリフトが生じるという問題がある。ＤＣドリフトとは、制御電極へ電圧を印加している時に、バッファー層中にある不純物などのキャリアーの移動により、光導波モード分布の基板内で作用する実効的な電場強度に変化が生じて光出力が変動する現象である。このため、ＤＣドリフト抑制を目的としてバッファー層無し電極（特許文献３）、ｃ−カットすなわち光学軸と平行な法線を持つＬＮ基板上にｂ−軸方向すなわち基板平面と平行かつ光学軸と垂直に走る２本の近接した光導波路を形成し、導波路直上に金属電極を配した構造の導波路型光素子（特許文献４）、高速電気信号を印加する変調用電極と動作点制御用電極を備えた導波路型光変調器（特許文献３）等が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３５２６９９号公報
【特許文献２】特開平１０−１４２５６９号公報
【特許文献３】特開２０００−２７５５９０号公報
【特許文献４】特許第２５７５１３１号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バッファー層無し構造をとる従来の光導波路型素子で、入射する偏光状態が一定でない変調器ないしＶＯＡのような素子においては、あらゆる偏光方向の入射光を考慮しなければならないが、水平モード（ＴＥモード）と垂直モード（ＴＭモード）では導波路付近にある金属による吸収の影響が大きく異なるため、電極が光導波路に近すぎると、バッファー層無し構造をとる素子の場合は電極による損失のために入射する偏光状態によって挿入損失が変化してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、バッファー層無し構造で、ＴＥおよびＴＭモード双方の入射偏光に対して電極による光伝播損失が許容範囲に入るような電極ギャップおよび電極材質を選択することにより実用的な光導波路型素子を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる光導波路型素子は、電気光学効果を持つ１軸性結晶基板上に光学軸と平行に光導波路型の干渉計を形成し、その光導波路の両側に金属物質からなる電極対が前記結晶基板と電極対との間に絶縁体の層を挟むことなく配された光導波路型素子であって、前記電極間隔が前記干渉計の導波路モードの横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとして２ｗとする）の１．４倍以上、５倍以下であることを特徴とするものである。
また、前記結晶基板に強誘電体ニオブ酸リチウムないしタンタル酸リチウム結晶を用い、そのａ−カット面上にｃ−軸方向に沿った光導波路を形成し、ｂ−軸方向に電場を生成するため導波路の両脇に金属電極を装荷したことを特徴とするものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、入射偏光に依存せず機能する電気光学効果を用いた導波路型素子についてのものである。そのために、１軸性の電気光学結晶基板に形成した光導波路の伝搬方向を光学軸と並行とすることでＴＥおよびＴＭモードで伝搬する導波光を光学的に等方的としている。
一方で、本発明は、光導波路の直上には電極が位置せず、両脇に位置し、光導波路の基板表面に対し水平方向に電場を生成し、かつ入射偏光はＴＥおよびＴＭモードの双方に対して機能する素子である。
さらに、前記のバッファー層に付随する特性上の問題点を解決するため、バッファー層無し構造を持ちなおかつ、ＴＥおよびＴＭモード双方の入射偏光に対して電極による光伝播損失が許容範囲に入るような電極ギャップおよび電極材質を選択する事により実用的な素子を得るものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る光導波路型素子の一実施例を示す平面図、図２は図１のａーａ線上の拡大縦断面図であり、１はＬＮ基板、２は素子入力ポート、３は干渉計入射側Ｙ−分岐、４は干渉計上側アーム、５は干渉計下側アーム、６は干渉計出射側Ｙ−分岐、７は干渉計正電極、８は干渉計負電極、９はＥＯ素子出力ポート、Ｇは電極間ギャップである。
【００１１】
すなわち、図１、図２に示す光導波路型素子は、ＬＮ基板を用いた光導波路型素子の一例を示したもので、基板表面に平行で光波伝播方向に垂直方向に電場を印加するタイプの２個の光位相シフターが平行に並んだ光導波路型素子であって、その構成は電気光学効果を持つ１軸性結晶ＬＮ基板１の表面に、素子入力ポート２、干渉計入射側Ｙ−分岐３、干渉計上側アーム４、干渉計下側アーム５、干渉計出射側Ｙ−分岐６およびＥＯ素子出力ポート９からなる光導波路が形成され、干渉計上側アーム４と干渉計下側アーム５からなる光導波路の両側に金属物質からなる一対の干渉計正電極７と干渉計負電極８が配された構成となし、かつ前記干渉計正電極７と干渉計負電極８間のギャップ（間隔）Ｇが前記干渉計の導波路モードの横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとして２ｗとする）の１．４倍以上、５倍以下となしたものである。
【００１２】
ここで、電極間ギャップＧを干渉計の導波路モードの横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとして２ｗとする）の１．４倍以上、５倍以下としたのは、１．４倍未満では、電極金属による光波の吸収が大きくなるため、デバイスの挿入損失および挿入損失の入射偏光依存性が大きくなり、他方、５倍を超えると駆動電圧が高くなり、実用上の利便性が大きく制限されるためである。
【００１３】
また、光導波路型素子におけるＬＮ基板１には、強誘電体ニオブ酸リチウムないしタンタル酸リチウム結晶を用いる。これは大きな電気光学効果を利用できるため低電力駆動が可能で、かつ優れた応答速度が得られるためである。
【００１４】
次に、上記した光導波路型素子の導波路形成とその評価について説明する。
まず、フォトリソグラフィー技術によってＬＮ基板１上にＧμｍ程度のＴｉ金属のストライプを、ＬＮ基板１上に列をなした状態で作製する。その後、ＬＮ基板１を１０００℃近辺の高温にさらしてＴｉ金属を当該基板内部に拡散させる。この結果、得られた光導波路は、入射光波長１．５μｍに対して単一モード動作が確認され、また測定の結果、ＴＭモードに対する水平方向のモードサイズ２ｗ（請求項１で定義）は１２．１μｍであった。ＴＥモードに対する水平方向のモードサイズは１２．３μｍと、モードによる差異は殆ど見られなかった。
【００１５】
続いて、電極を形成するため、光導波路の形成と同様にフォトリソグラフィー技術によって、同一幅で形成した多数の導波路の両脇に対して電極７、８間ギャップＧを１２μｍから３２μｍまで、２μｍずつ増やして電極対を３０μｍにわたって形成し、電極形成前と電極形成後の素子の挿入損失を、各電極間ギャップ値について測定する。ただしこの時、入射光の偏光状態を基板に水平（ＴＥモード）および基板に垂直（ＴＭモード）の両条件で測定する。
【００１６】
図３はニオブ酸リチウムＴｉ拡散光導波路素子の挿入損失を測定した結果を示したものである。ただし、この損失には光導波路の入出力端面による反射損失およびファイバーとの結合損失を含む。
図３の結果より、電極ギャップ値が２０〜３０μｍでは、ギャップ値によらずＴＥ、ＴＭ各モードにおいて挿入損失はほぼ３デシベル程度であるが、ギャップ値が２０μｍ以下ではギャップ値の減少とともに徐々に挿入損失が増加し、１４μｍ以下ではＴＭモードでの挿入損失が急激に増加することがわかる。これは光導波路からわずかに染み出したエバネッセント光が装着した電極の金属によって吸収されるためで、電場が光導波路基板に垂直に振動するモードであるＴＭモードで顕著な現象である。
【００１７】
この吸収を減少させるためには、光導波路の両側に設置された電極を光導波路から十分に離せばよいが、電極間ギャップＧが大きくなると電極間にかかる電場強度が小さくなるため、電気光学効果によって屈折率変化を生じさせて素子を機能させるには、電極間ギャップが狭い場合と比較して大きな電圧が必要となる。素子の駆動電圧は、電極間ギャップが２倍になると電圧もほぼ２倍増加する。そのため実用上問題とならない素子の駆動電圧を有するためには電極間ギャップ値の上限が生じる。
したがって、電極間ギャップ値は光導波路モードの横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとすれば２ｗとなる）の１．４倍から５．０倍、即ち１．４≦Ｇ／２ｗの範囲にすると、小さな挿入損失と低い駆動電圧を持つ素子ができる。
【００１８】
【実施例】
実施例１
図１に示すようなａ軸でカットされたニオブ酸リチウム基板と、この結晶のｃ軸方向に光を伝搬させるようにＴｉ蒸着およびＴｉ拡散を施して、ニオブ酸リチウム基板１に光導波路３、４、５、６を形成して光導波路型素子を作製した。この素子における光導波路は、横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとしてモードサイズ２ｗがＴＭモードに対して１２．３μｍであった。そこで、電極間ギャップを１９μｍとして上記光導波路４、５かつ上記ニオブ酸リチウム基板１のａ軸に対し垂直な電場を印加するよう、長さ３０ｍｍの干渉計正電極７および干渉計負電極８をＴｉ金属およびＡｕ金属にて形成した。この電極間ギャップの値は前記２ｗの１．５４倍である。
【００１９】
次に、作製した光導波路型素子の素子ポート２から波長１．５５μｍのＴＥモードの光を波長１．５５μｍ用シングルモードファイバーを用いて１１５μＷ入射させた。その結果、上記干渉計正電極７および干渉計負電極８の印加電圧が０ボルトのとき素子出力ポート９から出射する光の強度は５４μＷとなり、この素子のＴＥモードの挿入損失は３．３デシベルであることを確認した。同様にＴＭモードの光を素子ポート２から入射させたところ、入射した出力が１１４μＷに対し素子出力ポート９から出射する光の強度は５２μＷとなり、この素子のＴＭモードの挿入損失は３．４デシベルであった。
【００２０】
続いて、干渉計正電極７および干渉計負電極８に電圧を印加し、素子出力ポート９から出射する光の強度を測定した。なお、干渉計正電極７および干渉計負電極８に電圧を印加すると、光導波路４と５の間で光導波路中を伝搬する光波に位相差が生じ、この結果両導波路の光波が合波したときに互いに弱めあい合波後の強度が減少することが知られている。
その結果、前記条件で作製した光導波路型素子においては、ＴＥモード、ＴＭモードともに電圧が１６．１ボルトで出射する光の強度が最も小さくなった。
この結果より、設定したモードサイズおよび電極間ギャップ値の条件によって、両偏光モードで挿入損失差が０．１ｄＢと十分に小さく、かつ実用的なレベルの低駆動電圧の素子が得られることがわかった。
【００２１】
実施例２
実施例１と同様に、ニオブ酸リチウム基板上にＴｉ拡散光導波路を実施例１と同条件で作製し、ｗが１２．３μｍの光導波路を得た。この後、電極間ギャップを６２μｍ（２ｗの５．０４倍）として電極を形成し、干渉計正電極７および干渉計負電極８に電圧を印加し、素子出力ポート９から出射する光の強度を測定した。印加する電圧が０ボルトでは出射する光の強度は損失が少なく、ＴＥモード、ＴＭモードの挿入損失はそれぞれ２．８デシベルおよび２．９デシベルであった。 しかし、ＴＥモード、ＴＭモードともに出射光の強度が最小となる印加電圧は５６．２ボルトと、実施例１と比較して上昇した。この電圧は、従来のＬＮの導波路型干渉計を縦列２段としたＶＯＡの駆動電圧とほぼ同じである。実用上ＶＯＡの駆動電源の負担、特に高速に減衰レベルを切り替えたい場合を考慮すれば、高くともここに得られた５６．２ボルト以下に抑制するのが望ましい。
【００２２】
実施例３
バッファー層を用いない方式がＤＣドリフトを抑制していることを確認するために、前記実施例１と同じ条件で作製した素子について電圧印加特性を評価した。この時の素子は、電圧（Ｖ）Ｖ＝０において出力極大、電圧＝１６．３Ｖにおいて極小を持つ素子であった。この素子に対して電圧７．５Ｖを印加し出力光強度を１０分間測定したところ、図４に示すように出力光強度は９０±１μＷ以内で安定していた。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明では光学軸に平行に導波路を形成した電気光学素子において電極を導波路から、使用光波長に依存する一定距離以上に離すことによって、バッファー層無しで、基板表面に水平方向に電場を生成し、かつ入射偏向はＴＥおよびＴＭモードの双方に対して機能することができ、さらにバッファー層無し構造でありながら、ＴＥおよびＴＭモードの入射偏向に対して電極による光伝播損失が許容範囲に入るような電極間間隔および電極材質を選択することにより実用的な素子を得ることができるという優れた効果を奏する。
なお、電極間間隔を大きくすることによって、バッファー層を用いて電極による光損失を無視して電極間隔を縮小した場合と比較して、駆動電圧が上昇するという問題があるが、これは導波モードサイズの一定倍以上に電極間隔をとれば実用上問題無い程度の駆動電圧でＤＣドリフトを抑制できる素子が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光導波路型素子の一実施例を示す平面図である。
【図２】図１のａーａ線上の拡大縦断面図である。
【図３】本発明に係る光導波路型素子における光伝播損失の電極間ギャップ依存性を示す図である。
【図４】本発明の実施例におけるＤＣドリフトの測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１ ＬＮ基板
２ 素子入力ポート
３ 干渉計入射側Ｙ−分岐
４ 干渉計上側アーム
５ 干渉計下側アーム
６ 干渉計出射側Ｙ−分岐
７ 干渉計正電極
８ 干渉計負電極
９ ＥＯ素子出力ポート
Ｇ 電極間ギャップ

Claims (2)

1. 電気光学効果を持つ１軸性結晶基板上に光学軸と平行に光導波路型の干渉計を形成し、その光導波路の両側に金属物質からなる電極対が前記結晶基板と電極対との間に絶縁体の層を挟むことなく配された光導波路型素子であって、前記電極間隔が前記干渉計の導波路モードの横サイズ（基板表面に平行な方向で光強度がその分布の最大値の１／ｅに降下する位置の中心からの距離をｗとして２ｗとする）の１．４倍以上、５倍以下であることを特徴とする光導波路素子の電極構造。
2. 前記結晶基板に強誘電体ニオブ酸リチウムないしタンタル酸リチウム結晶を用い、そのａ−カット面上にｃ−軸方向に沿った光導波路を形成し、ｂ−軸方向に電場を生成するため導波路の両脇に金属電極を装荷したことを特徴とする請求項１記載の光導波路型素子。

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