JP2022083779A - 光デバイス、光通信装置及び光デバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】変調帯域の劣化を抑制できる光デバイス、光通信装置及び光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】光デバイスは、Ｓｉ基板と、接地電極と、ＬＮ光導波路と、信号電極とを有する。接地電極は、Ｓｉ基板上に積層された接地電位の電極である。ＬＮ光導波路は、接地電極上に積層された薄膜ＬＮ基板によって形成される光導波路である。信号電極は、ＬＮ光導波路を挟んで接地電極と対向する位置に配置され、高周波信号を印加する電極である。【選択図】図３
Description
本発明は、光デバイス、光通信装置及び光デバイスの製造方法に関する。
一般に、例えば、光変調器のような光デバイスは、表面に光導波路が形成された光変調器チップを備えることがある。光変調器チップの光導波路上には信号電極が配置され、信号電極に電圧が印加されると、光変調器チップの表面に対して垂直方向の電界が光導波路内に発生する。この電界によって光導波路の屈折率が変化するため、光導波路を伝搬する光の位相が変化し、光を変調することが可能となる。すなわち、光変調器チップの光導波路は、例えば、マッハツェンダ干渉計を構成し、平行に配置された複数の光導波路間の光の位相差により、例えば、ＸＹ偏波多重されるＩＱ信号を出力することができる。
光変調器チップが高速変調を実行する際には、光導波路に沿って配置される信号電極に、例えば、数１０ＧＨｚの帯域を有する高速信号が入力される。このため、信号電極には、広帯域の伝送特性を得ることができるコプレーナ導波路（ＣＰＷ：Coplanar Waveguide）構造が採用されることがある。すなわち、光導波路の上方には、信号電極と、信号電極を挟む一対の接地電極とが配置されることがある。
一方、光導波路は、例えば、チタン等の金属を基板表面から拡散することにより、信号電極と重なる位置に形成されることがある。また、ＬＮ（Lithium Niobate：ニオブ酸リチウム）結晶の薄膜を用いた薄膜光導波路が信号電極と重なる位置に形成されることがある。薄膜光導波路は、金属を拡散させる拡散光導波路よりも光の閉じ込めを強くすることができ、電界の印加効率を改善し、駆動電圧を低減できる。
図１４は、光変調器１００の構成の一例を示す平面模式図である。図１４に示す光変調器１００は、入力側に光源からの光ファイバが接続し、出力側に送信信号送出用の光ファイバが接続する。光変調器１００は、光入力部１１０と、ＲＦ変調部１２０と、光出力部１３０とを有する。光入力部１１０は、第１のＳｉ光導波路１１１と、第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部１１２とを有する。第１のＳｉ光導波路１１１は、入力側の光ファイバと接続する１本のＳｉ光導波路と、１本のＳｉ光導波路を分岐する２本のＳｉ光導波路と、各２本のＳｉ光導波路を分岐する４本のＳｉ光導波路と、各４本のＳｉ光導波路を分岐する８本のＳｉ光導波路とを有する。第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部１１２は、第１のＳｉ光導波路１１１内の８本のＳｉ光導波路とＲＦ変調部１２０内のＬＮ光導波路１２１内の８本のＬＮ光導波路との間を接合する。
ＲＦ変調部１２０は、ＬＮ光導波路１２１と、信号電極１２２と、ＲＦ終端器１２３とを有する。ＲＦ変調部１２０は、第１のＳｉ光導波路１１１から供給される光がＬＮ光導波路１２１を伝搬する際に、この光を信号電極１２２から印加される電界によって変調する。ＬＮ光導波路１２１は、例えば、薄膜ＬＮ基板１５４を用いて形成される光導波路であり、光入力部１１０内の各第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部１１２と接合する、複数の平行な８本のＬＮ光導波路を有する。ＬＮ光導波路１２１を伝搬して変調された光は、光出力部１３０へ出力される。
信号電極１２２は、ＬＮ光導波路１２１に重なる位置に設けられるＣＰＷ構造の伝送路であり、ＤＳＰから出力される数１０ＧＨｚの電気信号に応じてＬＮ光導波路１２１に電界を印加する。信号電極１２２の終端は、ＲＦ終端器１２３に接続されている。ＲＦ終端器１２３は、信号電極１２２の終端に接続され、信号電極１２２によって伝送される信号の不要な反射を防止する。
光出力部１３０は、第２のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部１３１と、第２のＳｉ光導波路１３２と、８個の子側ＭＺ（Mach-Zehnder）１３３と、４個の親側ＭＺ１３４とを有する。更に、光出力部１３０は、ＰＲ（Polarization Rotator）１３５と、ＰＢＣ（Polarization Beam Combiner：偏波ビームコンバイナ）１３６とを有する。第２のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部１３１は、ＲＦ変調部１２０内の８本のＬＮ光導波路１２１と８本の第２のＳｉ光導波路１３２との間を接合する。第２のＳｉ光導波路１３２は、第２のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部１３１に接続する８本のＳｉ光導波路と、８本のＳｉ光導波路の内、２本のＳｉ光導波路に合流する４本のＳｉ光導波路とを有する。更に、第２のＳｉ光導波路１３２は、４本のＳｉ光導波路の内、２本のＳｉ光導波路に合流する２本のＳｉ光導波路と、２本のＳｉ光導波路と合流すると共に、出力側の光ファイバと接続する１本のＳｉ光導波路とを有する。
第２のＳｉ光導波路１３２内の８本のＳｉ光導波路は、Ｓｉ光導波路毎に子側ＭＺ１３３を配置している。１組の子側ＭＺ１３３は、Ｓｉ光導波路上のＤＣ電極にバイアス電圧を印加することで、電気信号のＯＮ／ＯＦＦが光信号のＯＮ／ＯＦＦに対応するようにバイアス電圧を調整してＩ信号若しくはＱ信号を出力する。第２のＳｉ光導波路１３２内の４本のＳｉ光導波路は、Ｓｉ光導波路毎に親側ＭＺ１３４を配置している。１組の親側ＭＺ１３４は、Ｓｉ光導波路上のＤＣ電極にバイアス電圧を印加することで、電気信号のＯＮ／ＯＦＦが光信号のＯＮ／ＯＦＦに対応するようにバイアス電圧を調整してＩ信号若しくはＱ信号を出力する。
ＰＲ１３５は、一方の組の親側ＭＺ１３４から入力したＩ信号若しくはＱ信号を９０度回転して９０度回転後の垂直偏波の光信号を得る。そして、ＰＲ１３５は、垂直偏波の光信号をＰＢＣ１３６に入力する。ＰＢＣ１３６は、ＰＲ１３５からの垂直偏波の光信号と、他方の組の親側ＭＺ１３４から入力した水平偏波の光信号とを合波して偏波多重信号を出力する。
図１５は、光変調器１００のＦ－Ｆ線断面の一例を示す略断面図である。図１４に示すＦ－Ｆ線断面の部位は、第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部１１２の略断面である。図１５に示す第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部１１２は、Ｓｉ基板１５１と、Ｓｉ基板１５１上に積層されたＳｉＯ2（二酸化ケイ素）のＢｏｘ層１５２と、Ｂｏｘ層１５２上に積層されたＳｉＯ2の第１のバッファ層１５３とを有する。更に、第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部１１２は、第１のバッファ層１５３上に積層された薄膜ＬＮ基板１５４と、薄膜ＬＮ基板１５４上に積層されたＳｉＯ2の第２のバッファ層１５５とを有する。第１のバッファ層１５３の中央には、第１のＳｉ光導波路１１１が形成される。薄膜ＬＮ基板１５４の中央には、上方へ突起するＬＮ光導波路１２１が形成される。第１のＳｉ光導波路１１１とＬＮ光導波路１２１とを上下に接近することで、第１のＳｉ光導波路１１１とＬＮ光導波路１２１とを方向性結合する。
図１６は、光変調器１００のＧ－Ｇ線断面の一例を示す略断面図である。図１４に示すＧ－Ｇ線断面の部位は、ＲＦ変調部１２０の略断面である。図１６に示すＲＦ変調部１２０は、Ｓｉ基板１５１と、Ｓｉ基板１５１上に積層されたＳｉＯ2のＢｏｘ層１５２と、Ｂｏｘ層１５２上に積層された第１のバッファ層１５３とを有する。更に、ＲＦ変調部１２０は、第１のバッファ層１５３上に積層された薄膜ＬＮ基板１５４と、薄膜ＬＮ基板１５４上に積層されたＳｉＯ2の第２のバッファ層１５５とを有する。薄膜ＬＮ基板１５４の中央には、上方へ突起するＬＮ光導波路１２１が形成される。第２のバッファ層１５５の表面にＣＰＷ構造の信号電極１２２が配置される。すなわち、信号電極１２２がＬＮ光導波路１２１と重なる位置に配置され、信号電極１２２を挟む一対の接地電極１２２Ａが第２のバッファ層１５５上に配置される。
このようなＬＮ光導波路１２１では、信号電極１２２に高周波信号を印加して電界を発生させ、ＬＮ光導波路１２１の屈折率を変化させることにより、ＬＮ光導波路１２１を伝搬する光を変調できる。また、薄膜ＬＮ基板１５４及びＬＮ光導波路１２１が第１のバッファ層１５３上に積層されるため、ＬＮ光導波路１２１に強く光を閉じ込めることができ、信号電極１２２に印加される駆動電圧を低減できる。
光変調器１００は、図１６に示すように信号電極１２２の両側に接地電極１２２Ａを配置するＣＰＷ構造を採用した場合、信号電極１２２と接地電極１２２Ａとの間の間隔を確保することで、広帯域の変調特性が得られることになる。しかしながら、ＣＷＰ構造を採用した光変調器１００では、信号電極１２２の信号がＳｉ基板１５１の抵抗の影響を大きく受けることになるため、高周波信号の損失が大きくなって、変調帯域が劣化してしまう。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、変調帯域の劣化を抑制できる光デバイス等を提供することを目的とする。
本願が開示する光デバイスは、１つの態様において、Ｓｉ基板と、接地電極と、ＬＮ光導波路と、信号電極とを有する。接地電極は、Ｓｉ基板上に積層された接地電位の電極である。ＬＮ光導波路は、接地電極上に積層された薄膜ＬＮ基板によって形成される光導波路である。信号電極は、ＬＮ光導波路を挟んで接地電極と対向する位置に配置され、高周波信号を印加する電極である。
本願が開示する光デバイス等の１つの態様によれば、変調帯域の劣化を抑制できる。
以下、本願が開示する光デバイス等の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
図１は、本実施例の光通信装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す光通信装置１は、出力側の光ファイバ２Ａ（２）及び入力側の光ファイバ２Ｂ（２）と接続する。光通信装置１は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）３と、光源４と、光変調器５と、光受信器６とを有する。ＤＳＰ３は、デジタル信号処理を実行する電気部品である。ＤＳＰ３は、例えば、送信データの符号化等の処理を実行し、送信データを含む電気信号を生成し、生成した電気信号を光変調器５に出力する。また、ＤＳＰ３は、受信データを含む電気信号を光受信器６から取得し、取得した電気信号の復号等の処理を実行して受信データを得る。
光源４は、例えば、レーザダイオード等を備え、所定の波長の光を発生させて光変調器５及び光受信器６へ供給する。光変調器５は、ＤＳＰ３から出力される電気信号によって、光源４から供給される光を変調し、得られた光送信信号を光ファイバ２Ａに出力する光デバイスである。光変調器５は、例えば、ＬＮ光導波路３１とマイクロストリップライン（ＭＳＬ：Micro Stripline）構造の信号電極３２とを備える。光変調器５は、光源４から供給される光がＬＮ光導波路３１を伝搬する際に、この光を信号電極３２へ入力される電気信号によって変調することで、光送信信号を生成する。
光受信器６は、光ファイバ２Ｂから光信号を受信し、光源４から供給される光を用いて受信光信号を復調する。そして、光受信器６は、復調した受信光信号を電気信号に変換し、変換後の電気信号をＤＳＰ３に出力する。
図２は、実施例１の光変調器５の構成の一例を示す平面模式図である。図２に示す光変調器５は、入力側に光源４からの光ファイバ４Ａを接続し、出力側に送信信号送出用の光ファイバ２Ａを接続する。光変調器５は、第１の光入力部１１と、ＲＦ変調部１２と、第１の光出力部１３とを有する。第１の光入力部１１は、第１のＳｉ光導波路２１と、第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部２２とを有する。第１のＳｉ光導波路２１は、光ファイバ４Ａと接続する１本のＳｉ光導波路と、１本のＳｉ光導波路から分岐する２本のＳｉ光導波路と、各２本のＳｉ光導波路を分岐する４本のＳｉ光導波路と、各４本のＳｉ光導波路を分岐する８本のＳｉ光導波路とを有する。第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部２２は、第１のＳｉ光導波路２１内の８本のＳｉ光導波路とＬＮ光導波路３１内の８本のＬＮ光導波路との間を接合する。
ＲＦ変調部１２は、ＬＮ光導波路３１と、信号電極３２と、ＲＦ終端器３３とを有する。ＲＦ変調部１２は、第１のＳｉ光導波路２１から供給される光がＬＮ光導波路３１を伝搬する際に、この光を信号電極３２から印加される電界によって変調する。ＬＮ光導波路３１は、例えば、薄膜ＬＮ基板５５を用いて形成される光導波路であり、入力側から分岐を繰り返し、複数の平行な８本のＬＮ光導波路を有する。ＬＮ光導波路３１を伝搬して変調された光は、第１の光出力部１３へ出力される。
信号電極３２は、ＬＮ光導波路３１に重なる位置に設けられるＭＳＬ構造の伝送路であり、ＤＳＰ３から出力される電気信号に応じてＬＮ光導波路３１へ電界を印加する。信号電極３２の終端は、ＲＦ終端器３３に接続されている。ＲＦ終端器３３は、信号電極３２の終端に接続され、信号電極３２によって伝送される信号の不要な反射を防止する。
光変調器５は、Ｓｉ基板５１と信号電極３２との間に接地電極５３を有し、電界の向きがＳｉ基板５１に対して垂直方向となるため、薄膜ＬＮ基板５５はｚ－ｃｕｔ基板を使用するものとする。
第１の光出力部１３は、第２のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部４１と、第２のＳｉ光導波路４２と、８個の子側ＭＺ４３と、４個の親側ＭＺ４４と、ＰＲ４５と、ＰＢＣ４６とを有する。第２のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部４１は、ＲＦ変調部１２内のＬＮ光導波路３１と第２のＳｉ光導波路４２との間を接合する。第２のＳｉ光導波路４２は、第２のＬＮ－ＳＩ導波路接合部４１に接続する８本のＳｉ光導波路と、８本のＳｉ光導波路の内、２本のＳｉ光導波路と合流する４本のＳｉ光導波路とを有する。更に、第２のＳｉ光導波路４２は、４本のＳｉ光導波路の内、２本のＳｉ光導波路と合流する２本のＳｉ光導波路と、２本のＳｉ光導波路と合流する１本のＳｉ光導波路とを有する。第２のＳｉ光導波路４２内の８本のＳｉ光導波路は、Ｓｉ光導波路毎に子側ＭＺ（Mach-Zehnder）４３を配置している。１組の子側ＭＺ４３は、Ｓｉ光導波路上のＤＣ電極にバイアス電圧を印加することで、電気信号のＯＮ／ＯＦＦが光信号のＯＮ／ＯＦＦに対応するようにバイアス電圧を調整して、同相軸成分のＩ信号若しくは直交軸成分のＱ信号を出力する。第２のＳｉ光導波路４２内の４本のＳｉ光導波路は、Ｓｉ光導波路毎に親側ＭＺ４４を配置している。１組の親側ＭＺ４４は、Ｓｉ光導波路上のＤＣ電極にバイアス電圧を印加することで、電気信号のＯＮ／ＯＦＦが光信号のＯＮ／ＯＦＦに対応するようにバイアス電圧を調整してＩ信号若しくはＱ信号を出力する。
ＰＲ４５は、一方の組の親側ＭＺ４４から入力したＩ信号若しくはＱ信号を９０度回転して９０度回転後の垂直偏波の光信号を得る。そして、ＰＲ４５は、垂直偏波の光信号をＰＢＣ４６に入力する。ＰＢＣ４６は、ＰＲ４５からの垂直偏波の光信号と、他方の組の親側ＭＺ４４から入力した水平偏波の光信号とを合波して偏波多重信号を出力する。
次に、実施例１の光変調器５の構成について、具体的に説明する。図３は、実施例１の光変調器５のＡ－Ａ線断面の一例を示す略断面図である。図３に示すＡ－Ａ線断面の部位は、ＲＦ変調部１２の部位に相当する。ＲＦ変調部１２は、Ｓｉ基板５１と、Ｓｉ基板５１上に積層されたＳｉＯ２の支持基板５２と、支持基板５２上に積層されたＭＳＬ構造の接地電極５３と、接地電極５３上に積層された第１のバッファ層５４とを有する。更に、ＲＦ変調部１２は、第１のバッファ層５４に積層された薄膜ＬＮ基板５５と、薄膜ＬＮ基板５５上に積層された第２のバッファ層５６と、第２のバッファ層５６に積層されたＭＳＬ構造の信号電極３２とを有する。
Ｓｉ基板５１は、例えば、厚さが数百μｍ程度のＳｉ基板である。支持基板５２は、例えば、ＳｉＯ2（二酸化ケイ素）又はＴｉＯ2（二酸化チタン）等の基板である。接地電極５３は、例えば、銅等の金属からなる厚みが１μｍ以上の接地電位の電極である。接地電極５３は、信号電極３２からＳｉ基板５１への電界信号の影響を小さくして高周波の損失を減らすことができる。第１のバッファ層５４は、例えば、ＳｉＯ2又はＴｉＯ2等の屈折率が高い透明材からなる、厚さが１～１０μｍの層である。同様に、第２のバッファ層５６は、ＳｉＯ2又はＴｉＯ2等からなる、厚さが０．２～３μｍの層である。
第１のバッファ層５４と第２のバッファ層５６との間には、厚さが０．５～３μｍの薄膜ＬＮ基板５５が挟まれており、薄膜ＬＮ基板５５の中央には、上方へ突起するＬＮ光導波路３１が形成されている。ＬＮ光導波路３１となる突起の幅は、例えば、１～８μｍ程度である。薄膜ＬＮ基板５５及びＬＮ光導波路３１は、第２のバッファ層５６によって被覆されており、第２のバッファ層５６の表面に信号電極３２が配置される。つまり、信号電極３２は、ＬＮ光導波路３１を挟んで接地電極５３に対向し、ＭＳＬ構造の伝送路を構成している。
ＭＳＬ構造の接地電極５３は、ＣＰＷ構造の接地電極に比較し、Ｓｉウエハプロセスで成膜されるのが望ましい。また、接地電極５３と第１のバッファ層５４との密着性を考慮して材料が選択されるのが望ましい。また、信号電極３２は、高周波損失の小さい、接地電極５３と異なる材料であることが望ましい。
信号電極３２は、例えば、金や銅等の金属材料からなり、幅が２～１０μｍ、厚みが１～２０μｍの電極である。接地電極５３は、例えば、アルミニウム等の金属材料からなり、厚みが１μｍ以上の電極である。ＤＳＰ３から出力される電気信号に応じた高周波信号が信号電極３２によって伝送されることにより、信号電極３２から接地電極５３へ向かう方向の電界が発生し、この電界がＬＮ光導波路３１に印加される。その結果、ＬＮ光導波路３１への電界印加に応じてＬＮ光導波路３１の屈折率が変化し、ＬＮ光導波路３１を伝搬する光を変調することが可能となる。
図４は、ＣＰＷ構造の光変調器１００及びＭＳＬ構造の光変調器５のＥＯ応答特性の一例を示す説明図である。実施例１のＭＳＬ構造の光変調器５は、従来のＣＰＷ構造の光変調器１００に比較して、図４に示すようにＥＯ応答特性を改善できる。特に高周波の帯域においてＥＯ応答特性は、顕著に改善している。
図５Ａ～図５Ｃは、光変調器５の第１の光入力部１１及びＲＦ変調部１２の製造工程の一例を示す説明図である。図５Ａにおいて第１の光入力部１１は、Ｓｉ基板５１と、Ｓｉ基板５１上に積層されたＢｏｘ層５７と、Ｂｏｘ層５７上に積層された第１のＳｉ光導波路２１と、第１のＳｉ光導波路２１上に積層されたバッファ層５８とを有する第１の部材で形成する。図５ＢにおいてＲＦ変調部１２は、第１の部材の表面のバッファ層５８からＳｉ基板５１の一部までをエッチングすることで、第１の部材に深溝構造の方形状の凹部５１Ａを形成する。図５ＣにおいてＳｉ基板５１上の凹部５１Ａには、第１のＳｉ光導波路２１と薄膜ＬＮ基板５５上のＬＮ光導波路３１との光軸を合わせるようにＬＮチップをフリップチップ実装で埋め込む。ＬＮチップは、支持基板５２と、支持基板５２上に積層された接地電極５３と、接地電極５３上に積層された第１のバッファ層５４と、第１のバッファ層５４上に積層された薄膜ＬＮ基板５５とを有する。更に、ＬＮチップは、薄膜ＬＮ基板５５上に積層された第２のバッファ層５６と、第２のバッファ層５６上に積層されたＭＳＬ構造の信号電極３２とを有する。ＬＮチップは第２の部材である。
図６は、図５に示す光変調器５のＢ－Ｂ線断面の一例を示す略断面図である。図６に示すＢ－Ｂ線断面の部位は、例えば、第１の光入力部１１の部位に相当し、Ｓｉ基板５１と、Ｓｉ基板５１上に積層されたＢｏｘ層５７と、Ｂｏｘ層５７上に形成された第１のＳｉ光導波路２１と、Ｂｏｘ層５７上に積層されたバッファ層５８とを有する。
図７は、図５に示す光変調器５のＣ－Ｃ線断面の一例を示す略断面図である。図７に示すＣ－Ｃ線断面の部位は、例えば、ＲＦ変調部１２の部位に相当する。ＲＦ変調部１２は、Ｓｉ基板５１と、Ｓｉ基板５１上に積層された支持基板５２と、支持基板５２上に積層された接地電極５３と、接地電極５３上に積層された第１のバッファ層５４とを有する。更に、ＲＦ変調部１２は、第１のバッファ層５４上に積層されたＬＮ光導波路３１を有する薄膜ＬＮ基板５５と、薄膜ＬＮ基板５５上に積層された第２のバッファ層５６と、第２のバッファ層５６上にＭＳＬ構造の信号電極３２とを有する。ＲＦ変調部１２は、第１の部材の凹部５１ＡにＬＮチップの第２の部材を埋め込むことで形成する。
実施例１の光変調器５は、Ｓｉ基板５１と、Ｓｉ基板５１上に積層された接地電位の接地電極５３と、接地電極５３上に積層された薄膜ＬＮ基板５５によって形成されるＬＮ光導波路３１とを有する。更に、光変調器５は、ＬＮ光導波路３１を挟んで接地電極５３と対向する位置に配置され、高周波信号を印加する信号電極３２を有する。Ｓｉ基板５１と信号電極３２との間に接地電極５３を有するため、接地電極５３によって信号電極３２の信号がＳｉ基板５１に影響を与えることがない。その結果、光変調器５は、Ｓｉ基板５１の抵抗の影響による変調帯域の劣化を抑制することで、高周波帯域でのＥＯ応答特性を改善できる。
光変調器５は、接地電極５３と薄膜ＬＮ基板５５との間に積層される第１のバッファ層５４と、薄膜ＬＮ基板５５に積層され、ＬＮ光導波路３１を被覆する第２のバッファ層５６とを有する。信号電極３２は、第２のバッファ層５６の表面のＬＮ光導波路３１と重なる位置に配置される。信号電極３２は、垂直方向の電界がＬＮ光導波路３１内に発生するため、ＬＮ光導波路３１は、金属を拡散させる拡散光導波路よりも光の閉じ込めを強くなるため、電界の印加効率を改善し、駆動電圧を低減できる。
尚、説明の便宜上、実施例１の光変調器５では、第１のＳｉ光導波路２１とＬＮ光導波路３１との間を方向性結合する場合を例示したが、第１のＳｉ光導波路２１とＬＮ光導波路との間を突き合わせで結合してもよく、適宜変更可能である。
薄膜ＬＮ基板５５と接地電極５３との間に第１のバッファ層５４を有し、接地電極５３を積層するために第１のバッファ層５４を厚くする必要がある。従って、第１のバッファ層５４を厚くした分、ＬＮ光導波路３１と第１のＳｉ光導波路２１との間の距離が離れているため、ＬＮ光導波路３１と第１のＳｉ光導波路２１との間の結合長が長くなる。そこで、このような事態に対処すべく、ＬＮ光導波路３１と第１のＳｉ光導波路２１との間にＳｉＮ光導波路２４で光結合してもよい。
そこで、第１のＳｉ光導波路２１とＬＮ光導波路３１との間に第１のＳｉＮ（Silicon Nitride）－Ｓｉ導波路接合部２３、第１のＳｉＮ光導波路２４及び第１のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部２５で接合しても良い。その実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。
図８は、実施例２の光変調器５Ａの構成の一例を示す平面模式図である。尚、実施例１の光変調器５と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。
図８に示す光変調器５Ａ内の第２の光入力部１１Ａは、第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部２２の代わりに、第１のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部２３、第１のＳｉＮ光導波路２４及び第１のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部２５を有する。第１のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部２３は、第１のＳｉ光導波路２１内の８本のＳｉ光導波路と第１のＳｉＮ光導波路２４内の８本のＳｉＮ光導波路との間を接合する。第１のＳｉ光導波路２１内の８本のＳｉ光導波路と第１のＳｉＮ光導波路２４内の８本のＳｉＮ光導波路との間を方向性結合する。第１のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部２５は、第１のＳｉＮ光導波路２４内の８本のＳｉＮ光導波路とＬＮ光導波路３１内の８本のＬＮ光導波路との間を接合する。第１のＳｉＮ光導波路２４内の８本のＳｉＮ光導波路とＬＮ光導波路３１内の８本のＬＮ光導波路との間を方向性結合する。
光変調器５Ａ内の第２の光出力部１３Ａは、第２のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部４１の代わりに、第２のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部４７、第２のＳｉＮ光導波路４８及び第２のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部４９を有する。第２のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部４７は、ＬＮ光導波路３１内の８本のＬＮ光導波路と第２のＳｉＮ光導波路４８内の８本のＳｉＮ光導波路との間を接合する。第２のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部４９は、第２のＳｉＮ光導波路４８内の８本のＳｉＮ光導波路と第２のＳｉ光導波路４２内の８本のＳｉ光導波路との間を接合する。
次に、実施例２の光変調器５Ａの構成について、具体的に説明する。図９は、実施例２の光変調器５ＡのＤ－Ｄ線断面の一例を示す略断面図である。図９に示すＤ－Ｄ線断面は、第１のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部２３の部位に相当する。第１のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部２３は、Ｓｉ基板５１と、Ｓｉ基板５１上に積層されたＳｉＯ２のＢｏｘ層６１と、Ｂｏｘ層６１上に積層されたＳｉＯ２６２と、ＳｉＯ２６２上を積層するバッファ層６３とを有する。ＳｉＯ２６２には、第１のＳｉ光導波路２１と、ＳｉＮ光導波路２４とを有する。
図１０は、実施例２の光変調器５ＡのＥ－Ｅ線断面の一例を示す略断面図である。図１０に示すＥ－Ｅ線断面は、第１のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部２５の部位に相当する。第１のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部２５は、Ｓｉ基板５１と、Ｓｉ基板５１上に積層されたＳｉＯ２のＢｏｘ層６１と、Ｂｏｘ層６１上に積層されたＳｉＯ２６２とを有する。更に、第１のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部２５は、ＳｉＯ２６２上に積層された薄膜ＬＮ基板６４と、薄膜ＬＮ基板６４上を積層するバッファ層６３とを有する。ＳｉＯ２６２は、ＳｉＮ光導波路２４を有する。薄膜ＬＮ基板６４の中央には、上方へ突起するＬＮ光導波路３１が形成されている。ＬＮ光導波路３１となる突起の幅は、例えば、１～８μｍ程度である。
図１１は、第１のＳｉ光導波路２１、第１のＳｉＮ光導波路２４及びＬＮ光導波路３１の結合構造の一例を示す説明図である。図１１に示す第１のＳｉ光導波路２１は、第１のＳｉＮ光導波路２４内に挿入する先端部分が先細るように、第１のＳｉＮ光導波路２４と接続する部位をテーパー状に細くして第１のＳｉＮ光導波路２４と接合する。更に、第１のＳｉＮ光導波路２４は、ＬＮ光導波路３１内に挿入する先端部分が先細るように、ＬＮ光導波路３１と接続する部位をテーパー状に細くしてＬＮ光導波路３１と接合する。その結果、第１のＳｉ光導波路２１から第１のＳｉＮ光導波路２４までの光の伝播結合及び、ＳｉＮ光導波路２４からＬＮ光導波路３１までの光の伝播結合を効率良く実現できる。
実施例２の光変調器５Ａでは、第１のＳｉ光導波路２１とＬＮ光導波路３１との間をＳｉＮ光導波路２４で結合するため、ＳｉＮ光導波路２４が第１のＳｉ光導波路２１よりも光の閉じ込めが弱いため、光のモードフィールドが広がって方向性結合長を短くできる。その結果、小型かつ低駆動電圧の変調器を実現できる。
また、第１のＳｉ光導波路２１、第１のＳｉＮ光導波路２４及びＬＮ光導波路３１の結合構造を図１２に示すようにしても良い。図１２は、第１のＳｉ光導波路２１、第１のＳｉＮ光導波路２４及びＬＮ光導波路３１の他の結合構成の一例を示す説明図である。第１のＳｉ光導波路２１は、第１のＳｉＮ光導波路２４内に挿入する先端部分が先細るように、第１のＳｉＮ光導波路２４と接続する部位をテーパー状に細くする。第１のＳｉＮ光導波路２４は、第１のＳｉ光導波路２１が挿入される入力段から先太るように第１のＳｉ光導波路２１と接続する部位をテーパー状に太くし、かつ、ＬＮ光導波路３１内に挿入する先端部分が先細るようにＬＮ光導波路３１と接続する部位をテーパー状に細くする。更に、ＬＮ光導波路３１は、第１のＳｉ光導波路２１が挿入される先端部分が先太るように第１のＳｉＮ光導波路２４と接続する部位をテーパー状に太くしている。第１のＳｉ光導波路２１の出力段と第１のＳｉＮ光導波路２４の入力段とを結合すると共に、第１のＳｉＮ光導波路２４の出力段とＬＮ光導波路３１の入力段とを結合する。その結果、第１のＳｉ光導波路２１から第１のＳｉＮ光導波路２４までの光の伝播結合及び、ＳｉＮ光導波路２４からＬＮ光導波路３１までの光の伝播結合を効率良く実現できる。
尚、実施例１の光変調器５は、第１のＳｉ光導波路２１とＬＮ光導波路３１との間を第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部２２で接合する場合を例示したが、第１のＳｉ光導波路２１の代わりに第１のＳｉＮ光導波路２６を使用しても良い。その実施の形態につき、実施例３として以下に説明する。
図１３は、実施例３の光変調器５Ｂの構成の一例を示す平面模式図である。尚、実施例１の光変調器５と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。
図１３に示す第３の光入力部１１Ｂは、第１のＳｉ光導波路２１の代わりに第１のＳｉＮ光導波路２６を使用し、第１のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部２２の代わりに第１のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部２７を使用する。第１のＳｉＮ光導波路２６は、光ファイバ２Ａと接続する１本のＳｉＮ光導波路と、１本のＳｉＮ光導波路から分岐する２本のＳｉＮ光導波路とを有する。更に、第１のＳｉＮ光導波路２６は、各２本の光導波路から分岐する４本のＳｉＮ光導波路と、各４本のＳｉＮ光導波路から分岐する８本のＳｉＮ光導波路とを有する。第１のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部２７は、第１のＳｉＮ光導波路２６内の８本のＳｉＮ光導波路とＬＮ光導波路３１内の８本のＬＮ光導波路との間を接合する。
第３の光出力部１３Ｂは、第２のＬＮ－Ｓｉ導波路接合部４１の代わりに、第２のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部４７、第２のＳｉＮ光導波路４８、第２のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部４９及び第２のＳｉ光導波路４２を有する。更に、第３の光出力部１３Ｂは、第３のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部４９Ａ及び第３のＳｉＮ光導波路４９Ｂを有する。
第２のＬＮ－ＳｉＮ導波路接合部４７は、ＬＮ光導波路３１内の８本のＬＮ光導波路と第２のＳｉＮ光導波路４８内の８本のＳｉＮ光導波路との間を接合する。第２のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部４９は、第２のＳｉＮ光導波路４８内の８本のＳｉＮ光導波路と第２のＳｉ光導波路４２内の８本のＳｉ光導波路との間を接合する。第３のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部４９Ａは、第２のＳｉ光導波路４２の出力端側の１本のＳｉ光導波路と第３のＳｉＮ光導波路４９Ｂ内の１本のＳｉＮ光導波路との間を接合する。
第２のＳｉ光導波路４２は、第２のＳｉＮ－Ｓｉ導波路接合部４９に接続する８本のＳｉ光導波路と、８本のＳｉ光導波路の内、２本のＳｉ光導波路と合流する４本のＳｉ光導波路とを有する。更に、第２のＳｉ光導波路４２は、４本のＳｉ光導波路の内、２本のＳｉ光導波路と合流する２本のＳｉ光導波路と、２本のＳｉ光導波路と合流する１本のＳｉ光導波路とを有する。第２のＳｉ光導波路４２内の８本のＳｉ光導波路は、Ｓｉ光導波路毎に子側ＭＺ４３を配置している。第２のＳｉ光導波路４２内の４本のＳｉ光導波路は、Ｓｉ光導波路毎に親側ＭＺ４４を配置している。
実施例３の光変調器５Ｂは、第１のＳｉＮ光導波路２６で光ファイバ４Ａと接続し、第３のＳｉＮ光導波路４９Ｂで光ファイバ２Ａと接続するため、光導波路と光ファイバとの間の結合効率が高くなる。
１ 光通信装置
３ ＤＳＰ
４ 光源
５ 光変調器
２１ 第１のＳｉ光導波路
２４ 第１のＳｉＮ光導波路
３１ ＬＮ光導波路
３２ 信号電極
５１ Ｓｉ基板
５１Ａ 凹部
５３ 接地電極
５２ 支持基板
５４ 第１のバッファ層
５５ 薄膜ＬＮ基板
５６ 第２のバッファ層
３ ＤＳＰ
４ 光源
５ 光変調器
２１ 第１のＳｉ光導波路
２４ 第１のＳｉＮ光導波路
３１ ＬＮ光導波路
３２ 信号電極
５１ Ｓｉ基板
５１Ａ 凹部
５３ 接地電極
５２ 支持基板
５４ 第１のバッファ層
５５ 薄膜ＬＮ基板
５６ 第２のバッファ層
Claims (9)
- Ｓｉ(Silicon)基板と、
Ｓｉ基板上に積層された接地電位の接地電極と、
前記接地電極上に積層された薄膜ＬＮ(Lithium Niobate)基板によって形成されるＬＮ光導波路と、
前記ＬＮ光導波路を挟んで前記接地電極と対向する位置に配置され、高周波信号を印加する信号電極と
を有することを特徴とする光デバイス。 - 前記接地電極と前記薄膜ＬＮ基板との間に積層される第１のバッファ層と、
前記薄膜ＬＮ基板に積層され、前記ＬＮ光導波路を被覆する第２のバッファ層とをさらに有し、
前記信号電極は、
前記第２のバッファ層の表面の前記ＬＮ光導波路と重なる位置に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。 - 前記接地電極は、
前記信号電極と異なる材料で形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。 - 前記Ｓｉ基板上に形成された支持基板と、
前記支持基板上に形成されたＳｉ光導波路と
を有し、
前記Ｓｉ光導波路と前記ＬＮ光導波路との間を結合することを特徴とする請求項１～３の何れか一つに記載の光デバイス。 - 前記Ｓｉ光導波路と前記ＬＮ光導波路との間を結合するＳｉＮ（Silicon Nitride）光導波路を有することを特徴とする請求項４に記載の光デバイス。
- 前記Ｓｉ光導波路の出力段側がテーパー状に細く、かつ、前記ＳｉＮ光導波路の出力段側がテーパー状に細くなるように形成し、
前記Ｓｉ光導波路の出力段と前記ＳｉＮ光導波路の入力段とを結合すると共に、前記ＳｉＮ光導波路の出力段と前記ＬＮ光導波路の入力段とを結合することを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。 - 前記Ｓｉ光導波路の出力段側がテーパー状に細く、前記ＳｉＮ光導波路の入力段側及び出力段側がテーパー状に細く、かつ、前記ＬＮ光導波路の入力段側がテーパー状に細くなるように形成し、
前記Ｓｉ光導波路の出力段と前記ＳｉＮ光導波路の入力段とを結合すると共に、前記ＳｉＮ光導波路の出力段と前記ＬＮ光導波路の入力段とを結合することを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。 - 電気信号に対する信号処理を実行するプロセッサと、
光を発生させる光源と、
前記プロセッサから出力される電気信号を用いて、前記光源から発生する光を変調する光デバイスとを有し、
前記光デバイスは、
Ｓｉ(Silicon)基板と、
Ｓｉ基板上に積層された接地電位の接地電極と、
前記接地電極上に積層された薄膜ＬＮ(Lithium Niobate)基板によって形成されるＬＮ光導波路と、
前記ＬＮ光導波路を挟んで前記接地電極と対向する位置に配置され、高周波信号を印加する信号電極と
を有することを特徴とする光通信装置。 - Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に形成されたＳｉ光導波路と、前記Ｓｉ光導波路を被覆するバッファ層とを有する第１の部材の表面を前記バッファ層から前記Ｓｉ基板の一部までエッチングすることで凹部を形成し、
支持基板と、前記支持基板上に積層された接地電位の接地電極と、前記接地電極上に積層された薄膜ＬＮ(Lithium Niobate)基板によって形成されるＬＮ光導波路と、前記ＬＮ光導波路を挟んで前記接地電極と対向する位置に配置され、高周波信号を印加する信号電極とを有する第２の部材を、前記Ｓｉ光導波路と前記ＬＮ光導波路との光軸を合わせるように前記凹部内に実装する
ことを特徴とする光デバイスの製造方法。
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