JP3548042B2

JP3548042B2 - 導波路型光デバイス

Info

Publication number: JP3548042B2
Application number: JP07382999A
Authority: JP
Inventors: 臣一下津; 哲及川; 努斉藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2004-07-28
Anticipated expiration: 2019-03-18
Also published as: JP2000267056A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、４０ＧＨｚ以上の広帯域で使用できる導波路型光デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、通信容量が飛躍的に増大しており、アナログ領域では、キャリア周波数が、マイクロ波帯（数ＧＨｚ）からミリ波帯（３０ＧＨｚ以上）へと高周波化が進んでいる。このため、４０ＧＨｚ以上の広帯域で使用できる高速導波路型光デバイスが要請されている。
導波路型光デバイスとしては、電気光学効果を有する材質からなる基板上に、接地電極、信号電極および光導波路を形成し、信号電極にマイクロ波信号電圧を印加し、光導波路を伝搬する光波を変調する光デバイスが知られている。
こうした光デバイスにおいては、特定の周波数において、いわゆる「ロスディップ」と呼ばれる、伝送特性が劣化する問題があった。こうした光デバイスの使用可能な周波数帯域は、ロスディップの生ずる最低周波数（以下、ロスディップ周波数と呼ぶ）以下に制限される。
【０００３】
導波路型光デバイスにおいて、ロスディップ周波数を高周波側へとシフトさせる方法は、例えば、特許第２６６９０９７号公報に開示されている。この公報によれば、導波路型光デバイスにおいて、外部電源と進行波型信号電極との接続部分で、基板の断面方向に誘電体共振器を形成し、その共振周波数においては、マイクロ波電力のうちのほとんどが基板側に漏洩し、このため光波に変調がかからないという問題があった。そして、このロスディップ周波数ｆｃが、
ｆｃ＝ｃｏ／（２Ｎｍｄ）
で与えられることを実験的に見いだしたと記載されている（ｃｏは、真空中の光速、Ｎｍはマイクロ波の実効屈折率、ｄは長方形の基板断面における対角線の長さである）。そして、この発明の課題は、ロスディップ周波数を１０ＧＨｚ帯にシフトさせることであった。この結果、光導波路と垂直な基板断面の最も長くなる長さ（通常は対角線の長さ）ｄと、この方向へのマイクロ波の実効屈折率Ｎｍとの積Ｎｍｄを、０．８ｍｍより大きく、１１ｍｍよりも小さくすることによって、共振ピークの周波数を１０ＧＨｚ以上へとシフトさせることに成功したとされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基板の断面方向の対角線の長さｄを小さくすることにより、ロスディップ周波数を高周波側にシフトさせる方法には、限界がある。即ち、前記特許公報において想定されている周波数帯よりも高周波帯で光デバイスを使用する場合には、基板の寸法が取り扱い不可能なほどに小さくなるという問題がある。
【０００５】
例えば、基板の材料としてニオブ酸リチウム単結晶を使用し、基板の厚さを０．５ｍｍとする。マイクロ波の実効屈折率Ｎｍは、Ｚ軸方向（基板断面の厚さ方向）では５．３６であり、Ｘ、Ｙ軸方向では６．５９である。これらのデータを前提とし、上記の数式から、ロスディップ周波数を試算してみると、図１のグラフのように、ロスディップ周波数が１０ＧＨｚの場合、ｄは２．３ｍｍ、２０ＧＨｚの場合、ｄは１．２ｍｍ、３０ＧＨｚの場合，ｄは０．８ｍｍとなり、また、ｄ＝０．６ｍｍとして試算すると、ロスディップ周波数は４０ＧＨｚとなるが、その場合の基板の幅は０．４ｍｍとなる。
【０００６】
これらの結果から判るように、ロスディップ周波数を４０ＧＨｚ以上にシフトさせるためには、基板の厚み、幅を更に小さくし、即ち、基板の幅、もしくは厚さを０．４ｍｍ以下にする必要があり、基板の強度、作業性等を考慮した場合、現実的ではないことが判明した。
【０００７】
本発明の課題は、導波路型の光デバイスにおいて、４０ＧＨｚ以上の周波数領域に、ロスディップ周波数をシフトさせることによって、４０ＧＨｚ以上の広帯域で実質的に使用可能な導波路型光デバイスを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、４０ＧＨｚ以上の広帯域で使用するための導波路型光デバイスであって、電気光学効果を有する材質を含む基板と、この基板に形成されている光導波路と、光導波路を伝搬する光波を制御するために基板上に設けられている進行波型の信号電極と、少なくとも一つの接地電極とを備えており、信号電極が、入力部、作用部および出力部を備えており、入力部と作用部との間の曲部および出力部と作用部との間の曲部の少なくとも一方の幅方向の中心線が、７５μｍ以上の曲率半径（以下、「中心線曲率半径」と言う）を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、ロスディップの発生原因である、信号電極に印加されたマイクロ波信号の基板への放射ポイントについて、鋭意研究を重ねた結果、信号電極の入力部または出力部と作用部との間に構成されている曲部において、基板内にマイクロ波信号の一部が放射されることを確認した。この基板内への放射によって、マイクロ波信号と、本来の光変調には望ましくない基板モードとが結合を起こす。即ち、信号電極から基板内へと漏れだしたマイクロ波信号が、基板モードを励振し、共振現象を生じさせ、ロスディップを発生させるわけである。
【００１０】
そこで、信号電極の入力部と作用部との間の曲部と、出力部と作用部との間の曲部との少なくとも一方の中心線曲率半径を大きくすることによって、その曲部から基板内に放射するマイクロ波信号の放射量を抑制し、これによって共振現象を発生させるエネルギーの漏出を抑制し、ロスディップ周波数を高周波側へとシフトさせることに成功した。
【００１１】
また、本発明者が見いだしたところでは、前記信号電極の入力部と作用部との間の曲部におけるマイクロ波信号の漏出エネルギーの方が、出力部と作用部との間の曲部におけるマイクロ波信号の漏出エネルギーよりも大きく、この結果、入力部と作用部との間の曲部の中心線曲率半径を７５μｍ以上とすることが、ロスディップ周波数を４０ＧＨｚ以上の高周波側へとシフトさせる上で、より一層効果的であった。
【００１２】
特に好ましくは、入力部と作用部との間の曲部および出力部と作用部との間の曲部の両方が、７５μｍ以上の中心線曲率半径を有している。また、本発明において、入力部と作用部との間の曲部および出力部と作用部との間の曲部との少なくとも一方の中心線曲率半径は、１００μｍ以上とすることが特に好ましい。
【００１３】
なお、入力部と作用部との間の曲部と出力部と作用部との間の曲部との一方の中心線曲率半径を７５μｍ以上とし、他方の中心線曲率半径を７５μｍ未満とした場合には、他方の中心線曲率半径は５０μｍ以上とすることが特に好ましい。
【００１４】
本発明においては、信号電極の少なくとも一方の側に接地電極を設けるが、特に好ましくは、いわゆる対称型の接地電極配置（進行波型の信号電極の両側に、少なくとも一対の接地電極が設けられているもの）を採用する。このように、信号電極を挟んで接地電極を対称に配置することによって、信号電極から出力されるマイクロ波は、信号電極の左右に配置された接地電極に印加されやすくなるので、マイクロ波の基板側への放射を、より一層抑圧できる。
【００１５】
基板の材質としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体等の電気光学結晶が特に好ましい。光導波路の形成方法としては、チタン拡散法等の内拡散法やプロトン交換法を利用できる。また、本発明の導波路型光デバイスは、光変調器、光位相変調器、偏波スクランブラ、光スイッチング素子、光コンピューター用の光論理素子等として好適に使用できる。
【００１６】
図２（ａ）は、本発明の導波路型光デバイスの一例を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。光デバイス１１は、いわゆるマッハツェンダー型の変調器である。基板１の主面には、例えばチタン拡散光導波路３が形成されている。光導波路３は、入力部３ａ、分岐部分３ｂ、３ｃおよび出力部３ｄからなる。また、基板１の主面に、一対の接地電極４、５と、一対の接地電極に挟まれた信号電極２とが設けられている。各接地電極４、５と信号電極２との間は、絶縁領域である。
【００１７】
本例の光デバイスにおいては、動作速度を一層向上させる目的で、いわゆるコプレナーウエーブガイド型（ＣＰＷ）の形態を有する接地電極および信号電極を使用している。信号電極２は，入力部２ａ、作用部２ｂ、出力部２ｃ、入力側の曲部２ｄおよび出力側の曲部２ｅからなる。７は信号電極の幅方向の中心線である。本発明に従い、曲部２ｄと２ｅとの少なくとも一方の中心線曲率半径Ｒを、７５μｍ以上とする。
【００１８】
【実施例】
図２に示すような光デバイス１１を製造した。Ｚカットのニオブ酸リチウムのウエハー上に、フォトリソグラフィー法によって、チタンをパターニングし、熱拡散法によってチタンを拡散させ、光導波路３を形成した。この際の条件は、チタンの厚さを８００オングストロームとし、拡散温度を１０００℃とし、拡散時間を２０時間とした。基板１の主面に、ＳｉＯ２の絶縁バッファー層を形成した（厚さ０．５−２μｍ）。次いで、これらの上に厚さ１５−３０μｍの金属メッキからなる電極２、４、５を形成した。次いでウエハーを切断し、光デバイス１１を作製した。ただし、基板１の長さは６０ｍｍとし、厚さは０．５ｍｍとし、幅は０．８ｍｍとした。
【００１９】
各光デバイスにおいて、入力部２ａと作用部２ｂとの間の曲部２ｄ、および出力部２ｃと作用部２ｂとの間の曲部２ｅの中心線曲率半径Ｒを、表１に示すように変更した。
【００２０】
各光デバイスと測定器との間を高周波ケーブルで接続した。測定器から、周波数が徐々に変わるスイープ信号を出力し、０−７５ＧＨｚの各周波数における伝送特性を測定し、ロスディップ周波数を確認した。この結果を表１に示す。また、図３には、入力部２ａと作用部２ｂとの間の曲部２ｄと、出力部２ｃと作用部２ｂとの間の曲部２ｅとの中心線曲率半径Ｒを５０μｍとしたときの、周波数と光伝送特性との測定結果を示し（比較例１）、図４には、曲部２ｅの中心線曲率半径Ｒを５０μｍとし、曲部２ｄの中心線曲率半径Ｒを７５μｍとしたときの、周波数と光伝送特性との測定結果を示す（実施例１）。
【００２１】
【表１】

【００２２】
以上のように、本発明に従い、信号電極の入力部と作用部との間の曲部の中心線曲率半径を７５μｍ以上とすることによって、ロスディップ周波数が著しく高周波側へとシフトし、特に４０ＧＨｚ以上の高周波領域へとシフトさせることができた。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、導波路型の光デバイスにおいて、４０ＧＨｚ以上の周波数領域に、ロスディップが発生する最小周波数をシフトさせることによって、４０ＧＨｚ以上の広帯域で実質的に使用可能な導波路型光デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】特願平２−５２０２１号公報に基づく、基板断面の対角線の長さｄとロスディップ周波数の計算値との関係を示すグラフである。
【図２】本発明の実施例に係る光デバイス１１を示す平面図、及びそのＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】図２の光デバイスにおいて、信号電極２の曲部２ｅと曲部２ｄとの中心線曲率半径Ｒを５０μｍとしたときの、周波数と光伝送特性との測定結果およびロスディップ周波数を示すグラフである。
【図４】図２の光デバイスにおいて、信号電極２の曲部２ｅの中心線曲率半径Ｒを５０μｍとし、曲部２ｄの中心線曲率半径Ｒを７５μｍとしたときの、周波数と光伝送特性との測定結果およびロスディップ周波数を示すグラフである。
【符号の説明】
１基板、２信号電極、２ａ入力部、２ｂ作用部、２ｃ出力部、２ｄ入力部２ａと作用部２ｂとの間の曲部、２ｅ出力部２ｃと作用部２ｂとの間の曲部、３光導波路、４、５接地電極、７信号電極の幅方向の中心線、１１
導波路型光デバイス、Ｒ中心線曲率半径

Claims

４０ＧＨｚ以上の広帯域で使用するための導波路型光デバイスであって、
電気光学効果を有する材質を含む基板と、この基板に形成されている光導波路と、光導波路を伝搬する光波を制御するために基板上に設けられている進行波型の信号電極と、少なくとも一つの接地電極とを備えており、前記信号電極が、入力部、作用部および出力部を備えており、入力部と作用部との間の曲部および出力部と作用部との間の曲部の少なくとも一方の幅方向の中心線が、７５μｍ以上の曲率半径を有することを特徴とする、導波路型光デバイス。
前記信号電極の入力部と作用部との間の曲部の幅方向の中心線が、７５μｍ以上の曲率半径を有することを特徴とする、請求項１記載の導波路型光デバイス。