JP2022032257A - 光変調素子及び光変調素子の駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低電圧駆動を可能としてニオブ酸リチウム膜を用いた光変調素子を提供する。
【解決手段】本実施形態にかかる光変調素子１００は、第１光導波路と、第２光導波路と、前記第１光導波路に電界を印加する第１電極と、前記第２光導波路に電界を印加する第２電極と、を有し、第１光導波路及び第２光導波路は、ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含み、第１電極２１のうちの第１光導波路１１と重なる部分の長手方向の長さである第１相互作用長Ｌ１が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、第２電極２２のうちの第２光導波路１２と重なる部分の長手方向の長さである第２相互作用長Ｌ２が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。
【選択図】図３
【解決手段】本実施形態にかかる光変調素子１００は、第１光導波路と、第２光導波路と、前記第１光導波路に電界を印加する第１電極と、前記第２光導波路に電界を印加する第２電極と、を有し、第１光導波路及び第２光導波路は、ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含み、第１電極２１のうちの第１光導波路１１と重なる部分の長手方向の長さである第１相互作用長Ｌ１が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、第２電極２２のうちの第２光導波路１２と重なる部分の長手方向の長さである第２相互作用長Ｌ２が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。
【選択図】図３
Description
本発明は、光変調素子及び光変調素子の駆動方法に関する。
インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。
光変調器は、電気信号を光信号に変換する。例えば、特許文献１、２には、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成したマッハツェンダー型光変調器が記載されている。また特許文献２には、光変調器の動作点ドリフトを補正することが記載されている。特許文献１、２に記載の光変調器は、４０Ｇｂ／ｓ以上の高速で動作するが、全長が１０ｃｍ前後と長い。
これに対し、特許文献３には、ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダー型光変調器が記載されている。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器は、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ拡散により光導波路を形成した光変調器と比較して、小型であり、駆動電圧が低い。
ニオブ酸リチウムを用いた光変調器は、消光比が大きく、高周波帯域で動作できるため、都市間のような長距離の通信用に用いられている。しかし近年、情報量の増大によりさらなる高周波帯域化が要求されている。また、同時に駆動電圧の低電圧化も要求されている。一方で、近年、データセンター内またはデータセンター間の通信が増え、データセンター間のような短、中距離通信も増えており、このような用途では、大きな消光比を必要としないため、シリコンを用いた光変調器を使う場合や光変調器を使わずにレーザーダイオードの駆動回路で出射光を直接変調する場合がある。シリコンを用いた光変調器による変調や直接変調では、周波数帯域の更なる高周波化に対応できない。
ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器については、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ拡散により光導波路を形成した光変調器と比較すれば、駆動電圧を低くすることができるが、シリコンを用いた光変調器で用いられる低駆動電圧ドライバ（２．０Ｖ以上４．３Ｖ以下）には対応できていない。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高周波帯域での使用が可能で、かつ、低電圧駆動を可能とするニオブ酸リチウム膜を用いた光変調素子、及び、低電圧で駆動できるニオブ酸リチウム膜を用いた光変調素子の駆動方法を提供することを目的とする。
（１）本発明の一態様に係る光変調素子は、第１光導波路と、第２光導波路と、前記第１光導波路に電界を印加する第１電極と、前記第２光導波路に電界を印加する第２電極と、を有し、第１光導波路及び第２光導波路は、ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含み、前記第１電極のうちの前記第１光導波路と重なる部分の長手方向の長さである第１相互作用長Ｌ１が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、前記第２電極のうちの前記第２光導波路と重なる部分の長手方向の長さである第２相互作用長Ｌ２が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。
（２）上記（１）に記載の光変調素子において、前記第１電極と前記第２電極との間に印加される印加電圧の振幅である印加電圧幅Ｖｐｐが２．０Ｖ以上、４．３Ｖ以下であり、半波長電圧Ｖπが、前記印加電圧幅Ｖｐｐ以上であってもよい。
（３）本発明の一態様に係る光変調素子の駆動方法は、ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含む第１光導波路及び第２光導波路と、前記第１光導波路と平面視重なる位置にある第１電極と、前記第２光導波路と平面視重なる位置にある第２電極と、を有し、前記第１電極のうちの前記第１光導波路と重なる部分の長手方向の長さである第１相互作用長Ｌ１が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、前記第２電極のうちの前記第２光導波路と重なる部分の長手方向の長さである第２相互作用長Ｌ２が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である、光変調素子の駆動方法であって、印加電圧幅Ｖｐｐが２．０Ｖ以上、４．３Ｖ以下である。
（４）（３）に記載の光変調素子の駆動方法において、半波長電圧Ｖπが、前記印加電圧幅Ｖｐｐ以上であってもよい。
（５）（３）または（４）に記載の光変調素子の駆動方法において、Ｖｐｐ／Ｖπが０．０３以上、０．４７以下であってもよい。
（５）（３）または（４）に記載の光変調素子の駆動方法において、Ｖｐｐ／Ｖπが０．０３以上、０．４７以下であってもよい。
上記態様によれば、低電圧駆動を可能としてニオブ酸リチウム膜を用いた光変調素子、及び、低電圧で駆動できるニオブ酸リチウム膜を用いた光変調素子の駆動方法を提供することができる。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
まず方向について定義する。基板Ｓｂの一面の一方向をｘ方向、ｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｘ方向は、例えば、第１光導波路１１の延びる方向である。ｚ方向は、基板Ｓｂと垂直な方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。以下、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。
図１は、第１実施形態に係る光変調器２００のブロック図である。光変調器２００は、光変調素子１００と駆動回路１１０と直流バイアス印加回路１２０と直流バイアス制御回路１３０とを有する。光変調器２００の制御部は、駆動回路１１０と直流バイアス印加回路１２０と直流バイアス制御回路１３０と、を有する。
光変調素子１００は、電気信号を光信号に変換する。光変調素子１００は、入力された入力光Ｌｉｎを変調信号Ｓｍに応じて出力光Ｌｏｕｔに変換する。
駆動回路１１０は、変調信号Ｓｍに応じた変調電圧Ｖｍを光変調素子１００に印加する。直流バイアス印加回路１２０は、直流バイアス電圧Ｖｄｃを光変調素子１００に印加する。直流バイアス制御回路１３０は、出力光Ｌｏｕｔをモニターし、直流バイアス印加回路１２０から出力される直流バイアス電圧Ｖｄｃを制御する。この直流バイアス電圧Ｖｄｃを調整することより、後述する動作点Ｖｄが制御される。
図２は、光変調素子１００の光導波路１０をｚ方向から見た平面図である。図３は、光変調素子１００をｚ方向から見た平面図である。図４は、図３におけるＸ１－Ｘ１’に沿って切断した断面である。光変調素子１００は、光導波路１０と電極２１、２２、２３、２４とを有する。
光変調素子１００は、基板Ｓｂ上にある。基板Ｓｂとしては、ニオブ酸リチウム膜等の酸化膜４０をエピタキシャル膜として形成させることができる基板であればよく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。基板Ｓｂの結晶方位は特に限定されない。なお、ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の基板Ｓｂに対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を構成する結晶は３回対称の対称性を有しているので、下地の基板Ｓｂも同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。
光導波路１０は、内部を光が伝搬する光の通路である。光導波路１０は、例えば、第１光導波路１１と第２光導波路１２と入力路１３と出力路１４と分岐部１５と結合部１６とを有する。第１光導波路１１及び第２光導波路１２は、例えば、ｘ方向に延びる。第１光導波路１１と第２光導波路１２のｘ方向の長さは、略同一である。分岐部１５は、入力路１３と第１光導波路１１及び第２光導波路１２との間にある。入力路１３は、分岐部１５を介して、第１光導波路１１及び第２光導波路１２と繋がる。結合部１６は、第１光導波路１１及び第２光導波路１２と出力路１４との間にある。第１光導波路１１と第２光導波路１２とは、結合部１６を介して、出力路１４と繋がる。
光導波路１０は、酸化膜４０の第１面４０ａから突出するリッジ形状部である第１光導波路１１及び第２光導波路１２を含む。第１面４０ａは、酸化膜４０のリッジ形状部以外の部分における上面である。リッジ形状部は、第１面４０ａからｚ方向に突出し、光導波路１０に沿って延びる。リッジ形状部のＸ１－Ｘ１’断面（光の進行方向に垂直な断面）の形状は、光を導波できる形状であればその形状は問わず、例えばドーム状、三角形状、矩形状でもよい。リッジ形状部１６のｙ方向の幅は、例えば、０．３μｍ以上５．０μｍ以下であり、リッジ形状部１６の高さ（第１面４０ａからの突出高さ）は、例えば、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。リッジ形状部は、酸化膜４０と同じ材質から構成される。
酸化膜４０は、例えば、ｃ軸配向したニオブ酸リチウム膜である。酸化膜４０は、例えば、基板Ｓｂ上にエピタキシャル成長したエピタキシャル膜である。エピタキシャル膜は、下地の基板によって結晶方位が揃えられた単結晶の膜のことである。エピタキシャル膜は、ｚ方向およびｘｙ面内方向に単一の結晶方位をもった膜であり、結晶がｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向にともに揃って配向しているものである。エピタキシャル膜かどうかは、例えば、２θ－θＸ線回折における配向位置でのピーク強度と極点の確認を行うことで証明することができる。また、酸化膜４０は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２を介して設けられたニオブ酸リチウム膜であってもよい。
具体的には、２θ－θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。例えば、酸化膜４０がｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。ここで、（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。
また、前述の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみである。よって、前述の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。例えば、酸化膜４０がニオブ酸リチウム膜の場合、ＬｉＮｂＯ３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウムの場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４ｘ３＝１２個の極点が観測される。なお、本開示では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。
ニオブ酸リチウムの組成は、ＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素である。ｘは、０．５以上１．２以下であり、好ましくは０．９以上１．０５以下である。ｙは、０以上０．５以下である。ｚは１．５以上４．０以下であり、好ましくは２．５以上３．５以下である。Ａの元素は、例えば、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅであり、これらの元素を２種類以上の組み合わせても良い。
酸化膜４０の膜厚は、例えば、２μｍ以下である。酸化膜４０の膜厚とは、リッジ形状部以外の部分の膜厚である。酸化膜４０の膜厚が厚いと、結晶性が低下する恐れがある。また酸化膜４０の膜厚は、例えば、使用する光の波長の１／１０程度以上である。酸化膜４０の膜厚が薄いと、光の閉じ込めが弱くなり、基板Ｓｂやバッファ層３０に光が漏れる。酸化膜４０の膜厚が薄いと、酸化膜４０に電界を印加しても、光導波路１０の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。
電極２１、２２は、光導波路１０に変調電圧Ｖｍを印加する電極である。電極２１は、第１電極の一例であり、電極２２は、第２電極の一例である。電極２１の第１端２１ａは電源３１に接続され、第２端２１ｂは終端抵抗３２に接続されている。電極２２の第１端２２ａは電源３１に接続され、第２端２２ｂは終端抵抗３２に接続されている。電源３１は、変調電圧Ｖｍを光変調素子１００に印加する駆動回路１１０の一部である。
電極２３、２４は、光導波路１０に直流バイアスＶｄｃを印加する電極である。電極２３の第１端２３ａ及び電源２４の第１端２４ａは電源３３に接続されている。電源３３は、直流バイアス電圧Ｖｄｃを光変調素子１００に印加する直流バイアス印加回路１２０の一部である。
図３では、見易くするために並行して配置した電極２１及び電極２２の線幅、線間を実際よりも広くしている。そのため、電極２１と第１光導波路１１とが重畳する部分の長さ（相互作用長）と、電極２２と第２光導波路１２とが重畳する部分の長さとが、異なるように見えるが、これらの長さ（相互作用長）は略同一である。同様に、電極２３と第１光導波路１１とが重畳する部分の長さ（相互作用長）と、電極２４と第２光導波路１２とが重畳する部分の長さ（相互作用長）とは、略同一である。
また電極２１、２２に直流バイアス電圧Ｖｄｃを重畳する場合は、電極２３、２４を設けなくてもよい。また電極２１、２２、２３、２４の周囲に接地電極を設けてもよい。
電極２１、２２、２３、２４はバッファ層３０を挟んで、酸化膜４０上にある。電極２１、２３は、それぞれ、第１光導波路１１に電界を印加できる。電極２１、２３は、それぞれ、例えば、第１光導波路１１とｚ方向からの平面視で重なる位置にある。電極２１、２３は、それぞれ、第１光導波路１１の上方にある。電極２２、２４はそれぞれ、第２光導波路１２に電界を印加できる。電極２２、２４は、それぞれ、例えば、第２光導波路１２とｚ方向からの平面視で重なる位置にある。電極２２、２４は、それぞれ、第２光導波路１２の上方にある。
バッファ層３０は、光導波路１０と電極２１、２２、２３、２４との間にある。バッファ層３０は、リッジ形状部を被覆し、保護する。またバッファ層３０は、光導波路１０を伝搬する光が電極２１、２２、２３、２４に吸収されることを防ぐ。バッファ層３０は、酸化膜４０より屈折率が低い。バッファ層３０は、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、Ｌａ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、ＣａＦ２、Ｉｎ２Ｏ３等又はこれらの混合物である。
光変調素子１００のチップサイズは、例えば、１００ｍｍ２以下である。光変調素子１００のチップサイズが１００ｍｍ２以下であれば、データセンター用光変調素子として用いることができる。
光変調素子１００は、公知の方法で作製できる。例えばエピタキシャル成長、フォトリソグラフィ、エッチング、気相成長及びメタライズなどの半導体プロセスを用いて、光変調素子１００は製造される。
光変調素子１００は、電気信号を光信号に変換する。光変調素子１００は、入力光Ｌｉｎを出力光Ｌｏｕｔに変調する。まず光変調素子１００の変調動作について説明する。
入力路１３から入力された入力光Ｌｉｎは、第１光導波路１１と第２光導波路１２に分岐して伝搬する。第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光との位相差は、分岐した時点ではゼロである。
次いで、電極２１と電極２２との間に印加電圧を加える。例えば、電極２１と電極２２のそれぞれに、絶対値が同じで、正負が反対であり、位相が互いにずれていない差動信号を印加してもよい。第１光導波路１１及び第２光導波路１２の屈折率は、電気光学効果によって変化する。例えば、第１光導波路１１の屈折率は、基準の屈折率ｎから＋Δｎ変化し、第２光導波路１２の屈折率は、基準の屈折率ｎから－Δｎ変化する。
第１光導波路１１と第２光導波路１２との屈折率の違いは、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光との間に位相差を生み出す。第１光導波路１１及び第２光導波路１２を伝搬した光は、出力路１４で合流し、出力光Ｌｏｕｔとして出力される。出力光Ｌｏｕｔは、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光とを重ね合わせたものである。出力光Ｌｏｕｔの強度は、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光の奇数倍の位相差に応じて変化する。例えば、位相差がπの偶数倍の場合は光が強め合い、πの場合は光が弱め合う。このような手順で、光変調素子１００は、電気信号に応じて、入力光Ｌｉｎを出力光Ｌｏｕｔに変調する。
光変調素子１００による光変調について図５を用いて説明する。図５は、第１実施形態にかかる光変調器２００の印加電圧と出力との関係を示す図である。図５の横軸は光変調素子１００に印加した電圧であり、縦軸は光変調素子１００からの出力を規格化したものである。出力は、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光の位相差がゼロの場合を「１」として規格化している。
次に、ｎｕｌｌ点電圧Ｖｎ及び半波長電圧Ｖπについて説明する。光変調素子１００の出力は、印加電圧がゼロの場合に最大となる。印加電圧がゼロの場合は、第１光導波路１１を伝搬する光と第２光導波路１２を伝搬する光の位相差がゼロであるためである。光変調素子１００からの出力は、印加電圧を大きくしていくと、徐々に小さくなり、ある点で極小となる。光変調素子１００からの出力が極小となる電圧が、ｎｕｌｌ点電圧Ｖｎである。半波長電圧（半波長位相変調電圧)は、マッハツェンダー型光変調器で光の位相差を１８０°にするための電圧であり、光変調素子１００からの出力が極大から極小に至るまでの電圧幅が、半波長電圧Ｖπに対応する。ｎｕｌｌ点電圧Ｖｎを超える電圧を印加すると、光変調素子１００からの出力は周期的に変化する。光変調素子１００からの出力は、半波長電圧Ｖπごとに、極大、極小を繰り返す。
光変調素子１００の半波長電圧Ｖπは、光変調素子１００の構成によって変化する。半波長電圧Ｖπは、例えば、第１光導波路１１上の電極２１の長さ、第２光導波路１２上の電極２２の長さ等によって変化する。ここで、第１電極２１の長さおよび第２電極２２の長さは、光の伝搬方向への長さである。図３の場合、電極２１のうちの第１光導波路１１と重なる部分の長さ、又は、電極２２のうちの第２光導波路１２と重なる部分の長さである。この長さは、相互作用長と言われる。相互作用長が長いと半波長電圧Ｖπは小さくなり、相互作用長が短いと半波長電圧Ｖπが大きくなる。
光変調素子１００において、第１電極２１のうちの第１光導波路１１と重なる部分の長手方向の長さである第１相互作用長Ｌ１が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。第１相互作用長Ｌ１が０．９ｍｍ未満の場合、２．０Ｖ以上４．３Ｖ以下の低電圧駆動で、データセンターに必要な消光比３ｄＢ以上を得ることができない。そのため第１相互作用長Ｌ１は０．９ｍｍ以上である。
第１相互作用長Ｌ１が２０ｍｍ超の場合、６０ＧＨｚ以上の高周波帯域での減衰が大きい。そのため、第１相互作用長Ｌ１は２０ｍｍ以下である。同様に、第２電極２２のうちの第２光導波路１２と重なる部分の長手方向の長さである第２相互作用長Ｌ２が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。
第１電極２１と第２電極２２は、第１相互作用長Ｌ１と第２相互作用長Ｌ２とは略同一となるように形成される。なお、図３では、第１相互作用長Ｌ１と第２相互作用長Ｌ２が異なっているように見えるが、実際の第１電極２１と第２電極２２は、電極の線幅が狭く、第１電極２１と第２電極２２との間の間隔も狭いため、２つの電極の相互作用長は略同一になる。
第１相互作用長Ｌ１が２０ｍｍ超の場合、６０ＧＨｚ以上の高周波帯域での減衰が大きい。そのため、第１相互作用長Ｌ１は２０ｍｍ以下である。同様に、第２電極２２のうちの第２光導波路１２と重なる部分の長手方向の長さである第２相互作用長Ｌ２が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である。
第１電極２１と第２電極２２は、第１相互作用長Ｌ１と第２相互作用長Ｌ２とは略同一となるように形成される。なお、図３では、第１相互作用長Ｌ１と第２相互作用長Ｌ２が異なっているように見えるが、実際の第１電極２１と第２電極２２は、電極の線幅が狭く、第１電極２１と第２電極２２との間の間隔も狭いため、２つの電極の相互作用長は略同一になる。
光変調素子１００の変調電圧印加用の電極２１、２２には、変調信号に応じた変調電圧Ｖｍが印加される。直流バイアス電圧印加用の電極２３、２４に印加される電圧、つまり、直流バイアス印加回路１２０から出力される直流バイアス電圧Ｖｄｃは、直流バイアス制御回路１３０により制御される。直流バイアス制御回路１３０は、直流バイアス電圧Ｖｄｃを制御することにより、光変調素子１００の動作点Ｖｄを調整する。動作点Ｖｄとは変調電圧振幅の中心となる電圧である。
直流バイアス印加回路１２０は、光変調素子１００の動作点電圧Ｖｄを制御する。動作点電圧Ｖｄとは印加される電圧の最小値（Ｖｍｉｎ）と最大値（Ｖｍａｘ）の中点である。そして、印加される電圧の最小値（Ｖｍｉｎ）と最大値（Ｖｍａｘ）の差が印加電圧幅Ｖｐｐである。
動作点電圧Ｖｄは、使用環境の温度等で変動する場合がある。使用中に動作点電圧Ｖｄが変動した場合は、設定された印加電圧幅Ｖｐｐに応じて、消光比３ｄＢ以上となる動作点電圧の範囲内に、動作点電圧Ｖｄが入るように、直流バイアス制御回路１３０で補正する。直流バイアス制御回路１３０は、例えば、出力光Ｌｏｕｔから分岐した分岐光Ｌｂを基に、動作点電圧Ｖｄの変動を補正する。
また駆動回路１１０は、光変調素子１００に印加する印加電圧幅Ｖｐｐを制御する。光変調素子に印加される印加電圧幅Ｖｐｐは２．０Ｖ以上、４．３Ｖ以下の範囲である。相互作用長が０．９ｍｍ以上、２０．０ｍｍ以下であれば、印加電圧幅Ｖｐｐが２．０Ｖ以上、４．３Ｖ以下にて、消光比を３ｄＢ以上とすることができる。駆動回路１１０は、光信号に変換される電気信号を光変調素子１００に入力する。駆動回路１１０は、例えば、電源、ドライバ等を含む。
図６は、第１実施形態にかかる光変調器２００の印加電圧幅Ｖｐｐを説明するための図である。図６は、図５に印加電圧幅Ｖｐｐの説明を加えた図である。
印加電圧幅Ｖｐｐは、光変調素子１００を動作させる際に利用する電圧の範囲となる。光変調素子１００には、動作点電圧Ｖｄを中点として印加電圧幅Ｖｐｐが印加される。光変調素子１００からの出力は、印加される電圧の最小値（Ｖｍｉｎ）と、印加される電圧の最大値（Ｖｍａｘ）に対応する範囲で変化する。なお、動作点電圧Ｖｄは、光変調素子１００に印加される電圧の最小値（Ｖｍｉｎ）がｎｕｌｌ点電圧Ｖｎ以上になるように設定されているが、最大値（Ｖｍａｘ）がｎｕｌｌ点電圧Ｖｎ以下になるように設定されてもよい。
高周波電圧の変調信号は、例えば、駆動回路１１０によって制御される。変調素子の帯域は、６０ＧＨｚ以上である。変調素子の周波数帯域が６０ＧＨｚ以上であれば、高速変調に対応しやすい。
図７は、第１実施形態にかかる光変調器２００の印加電圧と消光比との関係を示す図である。図７の横軸は、光変調素子１００に印加した電圧であり、縦軸は、印加した電圧における出力光Ｌｏｕｔと、ｎｕｌｌ点電圧Ｖｎにおける出力光Ｌｏｕｔとの比を示している。消光比は、印加される電圧範囲での出力光Ｌｏｕｔの最大値と最小値の比である。
上述のように、第１実施形態に係る光変調素子１００および光変調器２００は、低電圧駆動でき、かつ、高周波帯域で使用することができる。
ここまで第１実施形態に係る光変調素子１００および光変調器２００を一例として説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、第１相互作用長Ｌ１および第２相互作用長Ｌ２は１８．６ｍｍ以下としてもよい。第１相互作用長Ｌ１および第２相互作用長Ｌ２を１８．６ｍｍ以下とすることで、７０ＧＨｚ以上の高周波帯域でも応答特性が良くなる。さらに１６．９ｍｍ以下とする事で８０ＧＨｚ以上の高周波帯域でも応答特性が良くなる。１４．４ｍｍ以下とする事でさらなる高周波帯域でも応答特性が良くなる。
また例えば、印加電圧幅Ｖｐｐを２Ｖ以下としてもよい。この場合、印加電圧幅Ｖｐｐを４．３Ｖとする場合よりもより汎用的で小さな電源を用いた駆動回路を用いることができる。
また、第１実施形態の光変調器では、動作点電圧Ｖｄを制御していたが、光変調素子１００に印加される電圧の最小値（Ｖｍｉｎ）又は最大値（Ｖｍａｘ）を制御してもよい。なお、最小値（Ｖｍｉｎ）を制御する場合は、最小値（Ｖｍｉｎ）がｎｕｌｌ点電圧Ｖｎ以上になるように制御する。一方、最大値（Ｖｍａｘ）を制御する場合は、最大値（Ｖｍａｘ）がｎｕｌｌ点電圧Ｖｎ以下になるように制御する。
Ｖｐｐ／Ｖπは０．０３以上、０．４７以下であるのが好ましい。この範囲であれば、消光比３ｄＢ以上であり、変調素子の周波数帯域が６０ＧＨｚ以上とすることができる。
光変調素子１００のチップサイズを１００ｍｍ２以下、より好ましくは５０ｍｍ２以下としてもよい。光変調素子１００のチップサイズが小さくなれば、既存のデータセンター用トランシーバーにも用いることができる。
また図８は、第１変形に係る光変調素子１０１をｚ方向から平面視した平面図である。光変調素子１０１は、光導波路５０と電極６１、６２、６３、６４と有する。
光導波路５０は、第１光導波路５１と第２光導波路５２と入力路５３と出力路５４と分岐部５５と結合部５６とを有する。光導波路５０は、第１光導波路５１及び第２光導波路５２が途中で湾曲している点が、光導波路１０と異なる。光導波路５０のその他の点は、光導波路１０と同様である。
電極６１、６２は、光導波路５０に変調電圧Ｖｍを印加する電極である。電極６１は、第１電極の一例であり、電極６２は、第２電極の一例である。電極６１の第１端６１ａは電源３１に接続され、第２端６１ｂは終端抵抗３２に接続されている。電極６２の第１端６２ａは電源３１に接続され、第２端６２ｂは終端抵抗３２に接続されている。電極６３、６４は、光導波路５０に直流バイアスＶｄｃを印加する電極である。電極６３の第１端６３ａ及び電源６４の第１端６４ａは電源３３に接続されている。
図８では、並行して配置した電極６１及び電極６２の線幅、線間を広くしたため、電極６１と第１光導波路５１とが重畳する部分の長さと、電極６２と第２光導波路５２とが重畳する部分の長さとが、異なるように図示しているが、これらの長さは略同一である。同様に、電極６３と第１光導波路５１とが重畳する部分の長さと、電極６４と第２光導波路５２とが重畳する部分の長さとは、略同一である。
電極６１及び電極６２が第１光導波路５１及び第２光導波路５２に沿って湾曲している点が、電極２１および電極２２と異なる。電極６１、６２、６３、６４のそれぞれのその他の点は、電極２１、２２、２３、２４のそれぞれと同様である。
光変調素子１０１は、第１光導波路５１及び第２光導波路５２が湾曲していることで、ｘ方向の素子サイズが小さい。光変調素子１０１は、例えば、１００ｍｍ２以下、好ましくは５０ｍｍ２以下の素子サイズを実現できる。データセンター用の光変調器は小型化が求められている。光導波路５０を湾曲させることで、既存のデータセンター用の光変調器に対応した小さいサイズの領域にも、光変調素子１０１を収容できる。
以下、本開示の実施例を例示するが、本開示は以下の実施例には限定されない。
なお、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
なお、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
（実施例）
図３および図４の構造を、以下の手順で実際に試作した。基板の材質はサファイアとした。基板の表面に膜厚１．５μｍのニオブ酸リチウム膜をスパッタ法により製膜した。次に、ニオブ酸リチウム膜の上に、膜厚０．８μｍ、材質ＬａＡｌＯ３のバッファ層を蒸着法により成膜した。レジストによるマスク形成とＡｒプラズマを用いたドライエッチング加工により、リッジ形状部の形成を行った。リッジ形状部のリッジ幅は２．５μｍ、リッジ高さは０．４μｍとした。最後に、第１電極、第２電極をフォト工程と金めっき工程により形成した。ＬａＡｌＯ３の比誘電率は１３であった。
図３および図４の構造を、以下の手順で実際に試作した。基板の材質はサファイアとした。基板の表面に膜厚１．５μｍのニオブ酸リチウム膜をスパッタ法により製膜した。次に、ニオブ酸リチウム膜の上に、膜厚０．８μｍ、材質ＬａＡｌＯ３のバッファ層を蒸着法により成膜した。レジストによるマスク形成とＡｒプラズマを用いたドライエッチング加工により、リッジ形状部の形成を行った。リッジ形状部のリッジ幅は２．５μｍ、リッジ高さは０．４μｍとした。最後に、第１電極、第２電極をフォト工程と金めっき工程により形成した。ＬａＡｌＯ３の比誘電率は１３であった。
得られた光変調器について、波長１３１０ｎｍの光を用いて変調特性を評価した。表１および表２に、印加電圧幅２Ｖ及び４．３Ｖにおいて、相互作用長Ｌを変えた場合の半波長電圧Ｖπ（Ｖｐｉ）（Ｖ）、印加電圧幅Ｖｐｐ（Ｖ）、消光比ＥＲの最大値（ＥＲｍａｘ）（ｄＢ）、使用可能な高周波域ＲＦ（ＧＨｚ）を示す。ここで、第１相互作用長Ｌ１および第２相互作用長Ｌ２は、同じ値であり、表１の相互作用長Ｌで表される。
表１および表２に示す通り、Ｖｐｐが４．３Ｖにおいて、相互作用長Ｌが０．４ｍｍ～２０ｍｍの範囲であれば、６０ＧＨｚ以上で使用可能であり、かつ消光比３ｄＢ以上とすることができることが確認された。さらにＶｐｐが２．０Ｖにおいて、相互作用長Ｌが０．９ｍｍ～２０ｍｍの範囲であれば、６０ＧＨｚ以上で使用可能であり、かつ消光比３ｄＢ以上とすることができることが確認された。
１０、５０ 光導波路
１１、５１ 第１光導波路
１２、５２ 第２光導波路
１３、５３ 入力路
１４、５４ 出力路
１５、５５ 分岐部
１６、５６ 結合部
２１、２２、２３、２４、６１、６２、６３、６４ 電極
３０ バッファ層
４０ 酸化膜
４０ａ 第１面
１００、１０１ 光変調素子
１１０ 駆動回路
１２０ 直流バイアス印加回路
１３０ 直流バイアス制御回路
２００ 光変調器
Ｌｉｎ 入力光
Ｌｏｕｔ 出力光
Ｌｂ 分岐光
Ｖｄ 動作点電圧
Ｖｎ ｎｕｌｌ点電圧
Ｖπ 半波長電圧
Ｖｐｐ 印加電圧幅
１１、５１ 第１光導波路
１２、５２ 第２光導波路
１３、５３ 入力路
１４、５４ 出力路
１５、５５ 分岐部
１６、５６ 結合部
２１、２２、２３、２４、６１、６２、６３、６４ 電極
３０ バッファ層
４０ 酸化膜
４０ａ 第１面
１００、１０１ 光変調素子
１１０ 駆動回路
１２０ 直流バイアス印加回路
１３０ 直流バイアス制御回路
２００ 光変調器
Ｌｉｎ 入力光
Ｌｏｕｔ 出力光
Ｌｂ 分岐光
Ｖｄ 動作点電圧
Ｖｎ ｎｕｌｌ点電圧
Ｖπ 半波長電圧
Ｖｐｐ 印加電圧幅
Claims (5)
- 第１光導波路と、第２光導波路と、前記第１光導波路に電界を印加する第１電極と、前記第２光導波路に電界を印加する第２電極と、を有し、
第１光導波路及び第２光導波路は、ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含み、
前記第１電極のうちの前記第１光導波路と重なる部分の長手方向の長さである第１相互作用長Ｌ１が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、
前記第２電極のうちの前記第２光導波路と重なる部分の長手方向の長さである第２相互作用長Ｌ２が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である、
光変調素子。 - 前記第１電極と前記第２電極との間に印加される印加電圧の振幅である印加電圧幅Ｖｐｐが２．０Ｖ以上、４．３Ｖ以下であり、半波長電圧Ｖπが、前記印加電圧幅Ｖｐｐ以上である、請求項1に記載の光変調素子。
- ニオブ酸リチウム膜の第１面から突出するリッジ形状部をそれぞれ含む第１光導波路及び第２光導波路と、前記第１光導波路と平面視重なる位置にある第１電極と、前記第２光導波路と平面視重なる位置にある第２電極と、を有し、前記第１電極のうちの前記第１光導波路と重なる部分の長手方向の長さである第１相互作用長Ｌ１が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、前記第２電極のうちの前記第２光導波路と重なる部分の長手方向の長さである第２相互作用長Ｌ２が０．９ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である、光変調素子の駆動方法であって、
印加電圧幅Ｖｐｐが２．０Ｖ以上、４．３Ｖ以下である、
光変調素子の駆動方法。 - 半波長電圧Ｖπが、前記印加電圧幅Ｖｐｐ以上である、請求項３に記載の光変調素子の駆動方法。
- Ｖｐｐ／Ｖπが０．０３以上、０．４７以下となるように印加電圧を設定する事を特徴とする、請求項３または請求項４に記載の光変調素子の駆動方法。
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