JP2022123249A - 光デバイス、及びこれを用いた光送受信機 - Google Patents
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Abstract
【課題】バイアス電圧印加下で動作の長期信頼性をもつ光デバイスを提供する。【解決手段】光デバイスは、基板と、前記基板の上に中間層、電気光学効果を有する結晶薄膜で形成された光導波路、及びバッファ層がこの順で積層された積層体と、前記バッファ層の上に設けられて前記光導波路に直流電圧を印加する電極と、を有し、前記中間層の抵抗率は前記バッファ層の抵抗率よりも大きい。【選択図】図4
Description
本開示は、光デバイス、及びこれを用いた光送受信機に関する。
光送受信の送信フロントエンド回路では、データ信号で光を変調する光変調器が用いられる。電気光学効果を利用して変調を行う光変調器は、ニオブ酸リチウム(LN;Lithium Niobate)等の電気光学効果を有する結晶基板に形成される。光変調器を構成する光導波路は、チタン(Ti)等の金属を基板の表面から拡散して形成され、光導波路の上方に、バッファ層を介してコプレーナ型の電極が配置される(たとえば、特許文献1参照)。
Ti拡散導波路はLN基板との屈折率差が小さく、光の閉じ込めが弱いため、電界の印可効率が悪く、駆動電圧が高くなる。Ti拡散導波路に替えて、LN結晶の薄膜で光導波路を形成することで、光の閉じ込めを強くすることができる。
LN結晶薄膜で光導波路を形成する場合、導波路に光を閉じ込めるために、LN結晶薄膜の上下にLNよりも屈折率の低いクラッドまたはバッファ層が設けられる。バッファ層を介してDC電圧が印加されると、バッファ層での電圧降下により、光導波路にかかる電界が弱くなり、DCドリフトが正の方向(バイアス電圧増大を要する方向)に変化する。DCドリフトとは、電圧をかけ続けることによる干渉条件の変化に起因して動作点または光出力が経時的に変化する現象である。DCドリフトの正方向への変化が一定量を超えると、DCバイアスをかけても正しく変調できなくなる。光デバイスの寿命が縮まり、長期信頼性が損なわれる。
本開示は、バイアス電圧印加下で動作の長期信頼性をもつ光デバイスを提供することを目的とする。
一つの態様では、光デバイスは、基板と、前記基板の上に中間層、電気光学効果を有する結晶薄膜で形成された光導波路、及びバッファ層がこの順で積層された積層体と、前記バッファ層の上に設けられて前記光導波路に直流電圧を印加する電極と、を有し、
前記中間層の抵抗率は前記バッファ層の抵抗率よりも大きい。
前記中間層の抵抗率は前記バッファ層の抵抗率よりも大きい。
バイアス電圧印加下で動作の長期信頼性をもつ光デバイスが実現される。
実施形態の光変調器の構成を説明する前に、LN結晶薄膜で光導波路を形成した光変調器におけるDCドリフト変化の問題をより詳しく説明する。
図1Aは、LN結晶薄膜の光導波路LN-WGを有する光変調器の断面模式図、図1Bは図1Aの光変調器の等価回路図である。光導波路LN-WGは、支持基板SUBの上に形成されており、上側と下側を第1のバッファ層BUF1と第2のバッファ層UBF2に挟まれている。第1のバッファ層BUF1の上に、信号電極Sと接地電極Gが配置され、コプレーナ型の電極構造が形成されている。
製造プロセスの簡易さから、通常は第1のバッファ層BUF1と、第2のバッファ層BUF2は同じ材料で形成される。すなわち、第1のバッファ層BUF1と、第2のバッファ層BUF2の体積抵抗率は同じである。
図1Bの等価回路を参照すると、基板SUB、第2のバッファ層BUF2、光導波路LN-WG、及び第1のバッファ層BUF1の積層体に、直列抵抗Rss、Rsb2、RsL、及びRsb1が形成される。また、並列抵抗Rps、Rpb2、RpL、Rpb1が形成される。第1のバッファ層BUF1の直列抵抗Rsb1には、光導波路LN-WGと第2のバッファ層BUF2の抵抗が、接続される。
信号電極Sと接地電極Gの間に電圧が印加されると、第1のバッファ層BUF1での電圧降下により、光導波路LN-WGと第2のバッファ層BUF2の電気抵抗が小さくなる。これにより、第1のバッファ層BUF1の直列抵抗Rsb1が相対的に大きくなり、電圧降下の影響が大きくなる。光導波路LN-WGにかかる電界が小さくなると、DCドリフトが正の方向に変化し、適正な動作点に保つために要するDCバイアス電圧が増大する。
実施形態では、LN結晶薄膜の光導波路を、光導波路よりも屈折率の低いバッファ層と中間層で挟み込んだ導波路構成で、中間層の抵抗率をバッファ層の抵抗率よりも大きくすることで、バッファ層での電圧降下を抑制する。以下で、「抵抗率」というときは、特段の断りのないかぎり、体積抵抗率を意味するものとする。
図2は、実施形態の光デバイスの一例としての光変調器10の平面模式図である。以下で述べる実施形態の構成は、光スイッチ、光フィルタなどの光デバイス、あるいはこれらの光デバイスと、レーザダイオード、フォトダイオードなどが集積された集積回路チップにも適用可能である。
光変調器10は、基板101上に光導波路11で形成されたマッハツェンダ(MZ:Mach-Zehnder)型の光変調器である。便宜上、光の伝搬方向をX方向、光変調器10の高さ方向をZ方向、X方向及びZ方向と直交する方向をY方向とする。
光導波路11は、後述するように、リッジ型の結晶薄膜導波路で形成されている。光変調器10の一端側(たとえば-X側)で、光導波路11は2つに分岐され、X偏波用のIQ変調器と、Y偏波用のIQ変調器が並列に形成される。光変調器10の他端側(たとえば+X側)で、2つのIQ変調器の出力は、偏波ビームコンバイナ(PBC:Polarization Beam Combiner)によって合波される。この例で、光変調器10は偏波多重IQ変調による4チャネルの変調器である。
X偏波とY偏波のそれぞれで、IQ変調器はIチャネルとQチャネルを有する。IQ変調器の全体を親MZ、またはマスターMZ(mMZ)と呼ぶ。各IQ変調器でIチャネルとQチャネルを形成するMZ干渉計を、子MZ、またはサブMZ(sMZ)と呼ぶ。
光変調器10には、RF電極110とDC電極120が設けられている。RF電極110とDC電極120は、たとえば、コプレーナ導波路構造を有する。
RF電極110は、RF信号電極110Sと、RF接地電極110Gを含む。RF信号電極110SとRF接地電極110Gは、積層方向に見て、光導波路11の上層の同じ層に形成されている。RF信号電極110Sは、各チャネルを形成する子MZの光導波路11にRF信号を入力する。
RF信号電極110Sには、数十GHzの帯域を持つ高速の電気信号が入力されて、高速の光変調が行われる。RF信号電極110Sに信号電圧が与えられると、光導波路11に発生する電界によって光導波路の屈折率が変化し、光導波路11を通る光の位相が変化する。Iチャネル、Qチャネルを構成する導波路間の光の位相の差によって光出力が変化する。
DC電極120は、DC信号電極120Sと、DC接地電極120Gを含む。DC信号電極120SとDC接地電極120Gは、積層方向に見て、光導波路11の上層の同じ層に形成されている。DC信号電極120Sには、MZ干渉計の位相を調整するためにDCバイアスが印加される。DC信号電極120Sは、親MZの光導波路11にDCバイアスを印加するDC信号電極120S(mMZ)と、子MZの光導波路11にDCバイアスを印加するDC信号電極120S(sMZ)を含む。
子MZのDC信号電極120S(sMZ)には、IチャネルとQチャネルで動作点を所望の点(たとえば光出力パワーがピークパワーの1/2になる点)に維持するためのDCバイアス電圧が印加される。電気信号のオン・オフが、光信号のオン・オフに対応するようにDCバイアス電圧は調整される。
X偏波用のIチャネルとQチャネルを合波してIQ信号とし、Y偏波用のIチャネルとQチャネルを合波してIQ信号とする。いずれか一方の偏波用のIQ信号を偏波回転してPBCで合波することで、偏波多重光信号が生成される。
図3は、図2の光変調器10のDC電極120が配置された領域の断面模式図、図4は図3の等価回路図である。光変調器10は、基板101の上に、中間層102、電気光学効果を有する結晶薄膜103で形成される光導波路11、及びバッファ層105がこの順で積層された積層体109を有する。バッファ層105の上に、DC信号電極120SとDC接地電極120Gが。コプレーナ構成で設けられている。
基板101は光変調器10を支持する支持基板であり、基板の種類は特に問わない。一例として、LN基板、LiTaO3基板、Al2O3基板、シリコン(Si)基板、石英基板、などが用いられる。結晶薄膜103で形成されたリッジ型の光導波路11を上下から挟む中間層102とバッファ層105は、光を光導波路11に閉じ込めるクラッドとして機能する。
中間層102は、DC電極120から印加される電界を効果的に光導波路11に集めるために、バッファ層105よりも抵抗率の高い材料で形成されている。中間層102の材料として、SiO2、あるいは、TiO2、ZrO2等の酸化物とSiO2の混晶を用いてもよい。
結晶薄膜103で形成される光導波路11は、LN、LiTaO3、LiNbO3とLiTaO3の混晶など、電気光学効果の高い結晶で形成されている。光導波路11となるリッジ部分の高さは、一例として数百nm~500nmである。
光導波路11と結晶薄膜103を覆うバッファ層105は、光導波路11と屈折率の差ができるだけ大きく、かつ、抵抗率が中間層102よりも小さい材料で形成されている。一例として、SiO2の母体にドーパントを添加した材料で形成される。バッファ層105の抵抗率を中間層102の抵抗率よりも小さくすることで、バッファ層105での電圧降下を相対的に小さくして、正の方向へのDCドリフトを抑制する。
バッファ層105の組成は、バッファ層105の抵抗率が光導波路11を形成する結晶薄膜103の抵抗率よりも小さくなるように設定されていてもよい。この場合、光導波路11と中間層102の抵抗率が、バッファ層105の抵抗率よりも高くなり、バッファ層105での電圧降下の影響をさらに抑制できる。
図4の等価回路を参照すると、積層体に、DC信号電極Sの側から順に、バッファ層105の直列抵抗Rsb、LNの光導波路11の直列抵抗RsL、中間層102の直列抵抗Rsh、基板の直列抵抗Rssが形成されている。また、DC信号電極SとDC接地電極Gの間に、バッファ層105の並列抵抗Rpb、LNの光導波路11の並列抵抗RpL、中間層102の並列抵抗Rph、基板の並列抵抗Rpsが形成される。
DCバイアスの印可直後は、DC信号電極Sと光導波路11の間に蓄積される負電荷、及びDC接地電極Gと光導波路11の間に蓄積される正電荷は少なく、各層でキャパシタンスの方が支配的である。十分に時間が経過した後は、光導波路11にかかる電圧は、各層の抵抗値の関係で決まる。特に、バッファ層105の直列抵抗Rsbにおける電圧降下が、Rsbと直列につながる光導波路11と中間層102の抵抗に影響し、DCドリフトを決める支配的な原因となる。並列抵抗Rpについては、各層に同じ電圧VがかかるのでDCドリフトへの影響はほとんどない。
バッファ層105の抵抗値を下げてバッファ層105での電圧降下を抑えることで、光導波路11に電界を集めて、DCドリフトの正方向へのシフトを抑制できる。中間層102とバッファ層105が同じ組成の場合、図1Bを参照して説明したように、バッファ層105の直列抵抗Rsbにつながる光導波路11と中間層102の抵抗が小さくなって、光導波路11にかかる電界が小さくなる。
これに対し、実施形態では、中間層102の抵抗率をバッファ層105の抵抗率よりも大きくしている。中間層102の抵抗率を大きくすることで、バッファ層105の直列抵抗Rsbに対して、Rsbと直列につながる中間層102の抵抗Rshを大きくできる。DCドリフトは、初期はキャパシタンスに依存するが、長期的には抵抗で決まる。中間層102の直列抵抗Rshを大きく保ってバッファ層105での電圧降下を小さく抑えることが、DCドリフトの正方向へのシフトを抑えるうえで有効である。これにより、デバイス寿命が長くなり、長期信頼性が確保される。
中間層102とバッファ層105の抵抗の関係に加えて、光導波路11の抵抗率をバッファ層105の抵抗率よりも大きくしてもよい。光導波路11の抵抗率をバッファ層105の抵抗率よりも大きくすることで、バッファ層105の直列抵抗Rsbにつながる光導波路11と中間層102のトータルの抵抗を、さらに大きくできる。これにより、電界をより効果的に光導波路11に集め、バッファ層105での電圧降下の影響を抑制できる。
電気光学効果を有する結晶薄膜の抵抗率は、材料で決まる要素が多いので、バッファ層105、または中間層102の抵抗を、ドーパントや成膜条件で調整するのが効率的である。バッファ層105の抵抗を下げるために、たとえばSiO2の母体に、Be、Al等の不純物イオンを所定の濃度で添加してもよい。中間層102は、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Depositions)やスパッタリングの条件を制御して膜を緻密化する、成膜時に酸素導入量を増やす、などして高抵抗にできる。
中間層102の抵抗率が光導波路11の抵抗率よりも小さい場合、または、中間層102が薄い場合、基板101の直列抵抗Rssの影響も無視できなくなる。この場合、中間層102の厚さを結晶薄膜103及び光導波路11の厚さよりも大きくして、中間層102の直列抵抗Rshを大きくするのが望ましい。あるいは、基板101の抵抗率をバッファ層105の抵抗率よりも大きくすることによっても、バッファ層105での電圧降下の影響を小さくすることができる。高抵抗の基板として、Al2O3基板、LiTaO3基板などを用いることができる。
図5は、実施形態の光変調器10のドリフト特性を、図1Aの光変調器のドリフト特性と比較して示す図である。実線Aが実施形態の光変調器10のドリフト、破線Bは図1Aの光変調器のドリフトである。横軸は時間(分)、縦軸はドリフトである。ドリフトは、印加電圧(±Vボルト)に対するDCドリフト(ΔV)のパーセンテージで表されている。ドリフト0%は、与えられたDCバイアス電圧でVπ駆動(出力パワーがゼロからピークまで変化)される状態である。
破線Bで示されるように、図1Aの構成では、DCドリフトは最初にわずかに負の方向へシフトした後に、正方向への急激な変化に切り替わる。200分経過後には、DCドリフトは+50%を超える。調整可能なDCドリフトの目安は50%であるから、図1Aの構成では変調不能になる。
実線Aで示される実施形態の光変調器10では、DCドリフトは負の方向にシフトし、数十分経過後に、ほぼ一定になる。DCドリフトの方向が負の方向ならば、印加しているDCバイアスを小さくすることで動作点を維持することができる。負の方向へのDCドリフトが維持できるのは、バッファ層105での電圧降下が小さく、十分な電界が光導波路11に印加されるからである。
図6Aから図6Gは、実施形態の光変調器10の作製工程を示す。図6Aから図6Gに示す工程は、光変調器10を作製するときのひとつの工程例であり、以下で述べる材料、パラメータ等に限定されない。
図6Aで、基板101の全面に、CVD法、スパッタ法等により中間層102を形成する。中間層102は、後工程で形成されるバッファ層よりも抵抗率が高く、後工程で形成される光導波路11よりも屈折率の小さい材料で形成される。中間層102として、SiO2層、SiO2とTiO2の混晶、SiO2とZrO2の混晶などを形成してもよい。中間層102を形成する際に、成膜条件を制御して、後工程で形成されるバッファ層の抵抗率よりも中間層102の抵抗率が高くなるように制御してもよい。酸化膜付きのSi基板を用いる場合は、必要に応じて、基板または酸化膜を所望の厚さに加工してもよい。
図6Bで、光導波路を形成する結晶薄膜用の基板140を用意する。この例で、基板140はLN基板である。基板140の一方の主面からイオンビームを照射して、イオン注入層141を形成する。注入エネルギーを制御することで、所望の深さまでイオンを注入することができる。一例として、イオン注入層141の厚さを、500nm~数μmとする。イオンは、水素イオン、ヘリウムイオン、アルゴンイオン等である。イオンが注入されていない基板部分は、支持層142となる。
図6Cで、基板140のイオン注入層141を、中間層102に貼り合わせる。貼り合わせ前に、イオン注入層141とバッファ層105の少なくとも一方の貼り合せ面に、ウェットケミカル、オゾン、プラズマ等で表面活性化処理を行ってもよい。
図6Dで、貼り合わせたウェハにアニール等の熱処理を施して、支持層142を分離する。熱処理により、イオン注入層141と支持層142の界面にマイクロキャビティが発生して、イオン注入層141から支持層142を剥離することができる。剥離後、CMPによりイオン注入層141の剥離面を研磨してもよい。
図6Eで、イオン注入層141をエッチングすることで、LNの結晶薄膜103で形成されたリッジ型の光導波路11を形成する。光導波路11のリッジの高さは、たとえば、200nm~300nm、幅は300nm~500nmである。
図6Fで、全面にバッファ層105をスパッタリング等で形成する。これにより、中間層102、結晶薄膜103で形成される光導波路11、及びバッファ層105の積層体109が得られる。バッファ層105は、一例として、厚さ0.5μm~1μm程度のSiO2膜である。バッファ層105を形成する際に、バッファ層105の抵抗率が中間層102の抵抗率よりも小さくなるように、より好ましくは、バッファ層105の抵抗率が、中間層102と光導波路11の抵抗率よりも小さくなるように、不純物元素を導入してもよい。
バッファ層105の直列抵抗を下げることは、バッファ層105での電界降下を小さくするために有効であるが、バッファ層105の抵抗を下げすぎると、電流値の増加により変調効率が下がる。また、電極間の短絡につながる。そのため、無制限にバッファ層105の抵抗を下げることはできない。この問題は、中間層102の抵抗率を光導波路11の抵抗率よりもさらに高く設定することで解決される。
上述のように、光導波路11と結晶薄膜103の抵抗率は、結晶薄膜の組成で決まってしまうので、材料によっては、バッファ層105の抵抗率に対して大きく差をつけるのが難しい場合がある。この場合に、中間層102の成膜条件を制御して中間層102の抵抗率を光導波路11の抵抗率よりも大きくする、あるいは、中間層102の厚さを結晶薄膜103と光導波路11の厚さよりも大きくする。これにより、バッファ層105の直列抵抗につながる光導波路11と中間層102のトータルの抵抗を高くすることができる。
設計で、結晶薄膜103の種類を選択した後に、まずバッファ層105の抵抗率を、光導波路11の抵抗率よりも小さくなるように、かつ変調効率の低下や短絡が起きないレベルに設定する。その後、中間層102の抵抗率を、光導波路11の抵抗率よりも高くなるように設定する。この場合、バッファ層105、光導波路11、中間層102の順で抵抗率が高くなる。中間層102の抵抗率は、成膜条件を調整することで、比較的容易に制御できる。バッファ層105の成膜後に、バッファ層の表面を平坦化してもよい。
図6Gで、バッファ層105の上にDC信号電極120Sと、DC接地電極120Gを形成して、光変調器10が得られる。光変調器10では、中間層102の抵抗率がバッファ層105の抵抗率よりも大きく設定されており、バッファ層105での電圧降下が抑制されている。電界を効果的に光導波路11へ集中させ、DCドリフトの正方向へのシフトが抑制される。これにより、長期信頼性のある光デバイスが実現される。
<光送受信機への適用>
図7は、光変調器10が適用される光送受信機1の模式図である。この例では、光送受信機1は、光送信回路2、光受信回路3、デジタル信号プロセッサ(DSP)5、及びレーザダイオード(LD)4を有する。
図7は、光変調器10が適用される光送受信機1の模式図である。この例では、光送受信機1は、光送信回路2、光受信回路3、デジタル信号プロセッサ(DSP)5、及びレーザダイオード(LD)4を有する。
光送信回路2は、実施形態の光変調器10と、バイアス制御回路9を有する。バイアス制御回路9は、光変調器10に印加されるDCバイアスを制御する。バイアス制御回路9は、モニタ回路にFPGA(Field Programmable Gate Array)などの論理デバイスを組み合わせてもよいし、ソフトウエアを組み合わせてもよい。光変調器10では、DCドリフトの正方向への変化が抑制されているので、DCバイアス制御中も長期信頼性が得られる。
光送信回路2内には、光変調器10のRF電極110に高速信号を入力するドライバ回路が含まれていてもよい。DSP5は、デジタルデータ信号を出力する。デジタルデータ信号は高速のアナログ信号に変換されて、光変調器のRF電極110に入力される。LD4から出力される光は、光変調器10でRF信号によって変調される。変調光信号は、光ファイバ等の光伝送路6に出力される。
光受信回路3は、光ファイバ等の光伝送路7から受信した光信号を、電気信号に変換する。光受信回路3は、たとえばコヒーレント受信回路であり、LD4からの光を参照光(局発光)として用いて、受信した光信号を各偏波成分と各相(I相及びQ相)の信号に分離する。分離され光電気変換された各成分の信号は、DSP5で整形、等化等の処理を受けて復号される。
上述した実施形態は一例であり、種々の変形が可能である。基板101として結晶薄膜13及び光導波路11よりも屈折率の低い材料を用いて、基板101をクラッドの一部として用いてもよい。実施形態の構成は、光変調器の他に、光スイッチ、光フィルタ等の光デバイスや、これらの光デバイスと波長可変レーザ等が集積された光集積回路チップにも適用可能である。光変調器10の構成は、偏波多重方式の光変調だけではなく、16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)方式やQPSK(Quadrature Phase Shift Keying)方式など、DCバイアスによる動作点の制御が必要な構成にも適用可能である。いずれの場合も、DCドリフトの正方向へのシフトが抑制され、長期信頼性の高い小型の光変調器が得られる。
1 光送受信機
2 光送信回路
3 光受信回路
4 LD
5 DSP
6、7 光伝送路
9 バイアス制御回路
10 光変調器(光デバイス)
11 光導波路
101 基板
102 中間層
103 結晶薄膜
105 バッファ層
109 積層体
120 DC電極
120S DC信号電極
120G DC接地電極
2 光送信回路
3 光受信回路
4 LD
5 DSP
6、7 光伝送路
9 バイアス制御回路
10 光変調器(光デバイス)
11 光導波路
101 基板
102 中間層
103 結晶薄膜
105 バッファ層
109 積層体
120 DC電極
120S DC信号電極
120G DC接地電極
Claims (8)
- 基板と、
前記基板の上に、中間層、電気光学効果を有する結晶薄膜で形成された光導波路、及びバッファ層がこの順で積層された積層体と、
前記バッファ層の上に設けられて前記光導波路に直流電圧を印加する電極と、
を有し、
前記中間層の抵抗率は前記バッファ層の抵抗率よりも大きい、
光デバイス。 - 前記バッファ層の抵抗率は、前記結晶薄膜及び前記光導波路の抵抗率よりも小さい、
請求項1に記載の光デバイス。 - 前記中間層の抵抗率は、前記結晶薄膜及び前記光導波路の抵抗率よりも大きい、
請求項1または2に記載の光デバイス。 - 前記中間層の厚さは、前記結晶薄膜及び前記光導波路の厚さよりも大きい、
請求項1または2に記載の光デバイス。 - 前記基板の抵抗率は、前記バッファ層の抵抗率よりも大きい、
請求項1~4のいずれか1項に記載の光デバイス。 - 前記中間層と前記バッファ層の屈折率は、前記結晶薄膜及び前記光導波路の屈折率よりも小さい、
請求項1~5のいずれか1項に記載の光デバイス。 - 前記基板の屈折率は、前記結晶薄膜及び前記光導波路の屈折率よりも小さい、
請求項1~6のいずれか1項に記載の光デバイス。 - 請求項1~7のいずれか1項に記載の光デバイスを用いた光送信器と、
光受信器と、
を有する光送受信機。
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