JP4899730B2 - 光変調器 - Google Patents

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Description

本発明は、光通信で用いられる導波路型の光変調器に関し、特に、同一基板に形成した複数の光変調器を互いに接続した多段構成の光変調器に関する。
例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ2）などの電気光学結晶を用いた光導波路デバイスは、結晶基板上の一部に金属膜を形成して熱拡散させるか、或いは、パターニング後に安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路を形成した後、その光導波路の近傍に電極を設けることで形成される。このような電気光学結晶を用いた光導波路デバイスの１つとしては、例えば、マッハツェンダ（Mach-Zehnder：ＭＺ）型の光導波路を用いた光変調器などがよく知られている。
一般的なＭＺ型光変調器は、ＭＺ干渉計を構成する入力導波路、分岐部、一対の分岐導波路、合波部および出力導波路からなる光導波路と、一対の分岐導波路上に信号電極および接地電極を配置したコプレーナ電極と、を備えている。具体的に、例えばｚ−カットの基板を用いる場合には、ｚ方向の電界による屈折率変化を利用するため、各分岐導波路の真上に信号電極および接地電極が配置される。信号電極および接地電極は、分岐導波路の上にそれぞれパターニングされるが、各分岐導波路中を伝搬する光が信号電極および接地電極によって吸収されるのを防ぐために、基板と信号電極および接地電極との間に誘電体層（バッファ層）が介される。このバッファ層としては、例えば、厚さ０．２〜１μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2）等が用いられる。
上記のような光変調器を高速で駆動する場合は、信号電極の出力端を抵抗を介して接地することで進行波型の電極とし、信号電極の入力端からマイクロ波等の高周波電気信号を印加する。このとき、信号電極と接地電極の間で発生する電界によって、各分岐導波路の屈折率が変化して各々を伝搬する光の位相差が変化し、強度変調された信号光が出力導波路から出力されるようになる。また、高速駆動される光変調器については、信号電極の断面形状を変えて実効屈折率を制御し、光と電気信号の伝搬速度を整合させることによって、広帯域の光応答特性が得られることが知られている。
さらに、２つのＭＺ型光変調器をタンデムに接続し、一方のＭＺ型光変調器の信号電極にクロックに対応した電気信号、他方のＭＺ型光変調器の信号電極にＮＲＺデータに対応した電気信号を印加することで、ＲＺ（Return to Zero）変調方式の光信号を生成できるようにした光変調器も公知である。このようなＲＺ変調方式の光変調器では、２つのＭＺ型光変調器が光の伝搬方向に直列に並べられるため、１つのＭＺ型光変調器を用いたＮＲＺ変調方式の光変調器に比べてチップの長さが２倍になる。また、駆動電圧は作用長が長くなるほど低くなるが、ＲＺ変調方式の光変調器では作用長がチップサイズで制限されるため、駆動電圧を低くすることが難しいという問題があった。
そこで、本出願人は、２つのＭＺ型光変調器を並列に並べ、曲がり折り返し導波路を用いて２つのＭＺ型変調器を接続する構成を提案している（例えば、特許文献１参照）。具体的には、例えば図１１に示すように、同一基板（チップ）１１０上に２つのＭＺ型光導波路部１２０Ａ，１２０Ｂが並べて配置され、各ＭＺ型光導波路部１２０Ａ，１２０Ｂの一端が基板１１０の同一端面に位置し、各々の他端が曲がり折り返し導波路１２１を介して接続されている。また、各ＭＺ型光導波路部１２０Ａ，１２０Ｂに対応させてコプレーナ電極がパターニングされており、ここでは、ＭＺ型光導波路部１２０Ａ側の信号電極１３１Ａの図で左下に位置する一端に対して、図１２の１段目に示すようなクロック波形の電気信号ＣＬＫが印加され、ＭＺ型光導波路部１２０Ｂ側の信号電極１３１Ｂの図で右下に位置する一端に対しては、図１２の２段目に示すようなＮＲＺデータの電気信号ＤＡＴＡが印加される。これにより、入力光Ｌｉｎは、入力側のＭＺ型光導波路部１２０Ａを伝搬することで図１２の３段目に示すような波形の光信号Ｌａとなり、さらに、その光信号Ｌａが曲がり折り返し導波路１２１および出力側のＭＺ型光導波路部１２０Ｂを伝搬することで、図１２の４段目に示すような波形のＲＺ変調された光信号Ｌｏｕｔとなって出力される。
また、上記の図１１に示したような曲がり折り返し導波路を用いた構成に関連して、１つのＭＺ型光変調器における一対の分岐導波路の中央部分に、曲がり折り返し導波路を適用した構成も提案している（例えば、特許文献２参照）。
国際公開第２００４／０６８２２１号パンフレット 特開２００５−２２１８７４号公報
ところで、上記の図１１に示したような従来構成の光変調器の場合、曲がり折り返し導波路１２１は半径が小さくなると損失が増えるため、通常、２ｍｍ以上の半径を必要とする。また、２つのＭＺ型光変調器の各信号電極１３１Ａ，１３１Ｂに電気信号を供給するための２つの入力コネクタは、実装を容易にするために基板１１０の片方の側面（図１１における下側の側面）近傍に配置することが要求される。そのため、入力コネクタから遠い方のＭＺ型光変調器の信号電極（図１１では信号電極１３１Ｂ）へ電気信号を導くフィーダ部が長くなり、電気信号の損失が増えてしまうという課題がある。また、２つのＭＺ型光変調器を並列に並べたことでチップの長さについては短くなるものの、チップの幅については上記曲がり折り返し導波路１２１の半径等に制約されて、ある一定の幅よりも狭くすることが難しい。このため、１枚のウェハから限られた数のチップしか取ることができないという課題もある。
本発明は上記の点に着目してなされたもので、同一基板上に形成された２つの光変調器を曲がり折り返し導波路により接続した構成において、信号電極を伝搬する電気信号の損失を減らすことが可能であり、また、１枚のウェハから多数のチップを取ることのできる光変調器を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、前記基板の同一端面に配置された光入力ポートおよび光出力ポートと、前記基板に形成され、一端が前記光入力ポートに接続する第１光導波路部と、前記基板に形成され、一端が前記光出力ポートに接続する第２光導波路部と、前記基板に形成され、前記第１および第２光導波路部の各他端の間を接続する曲がり折り返し導波路と、前記第１光導波路部に沿って設けられた第１信号電極と、前記第２光導波路部に沿って設けられた第２信号電極と、前記第１および第２信号電極に対して距離を隔てて設けられた接地電極と、を備える。この光変調器は、前記第１光導波路部の長手方向が前記第２光導波路部の長手方向に対して斜めに配置され、前記曲がり折り返し導波路の曲率半径が前記光入力ポートと前記光出力ポートの間隔の半分よりも大きく、前記第１および第２信号電極の電気信号を印加する各入力部が、前記基板の対向する側面のうちの前記光出力ポートに近い方の側面近傍に配置されている。
上記のような構成の光変調器では、光出力ポート側の第２光導波路部に対して光入力ポート側の第１光導波路部を斜めに配置し、曲がり折り返し導波路の曲率半径を光入出力ポートの間隔の半分よりも大きくしたことで、第１および第２信号電極の各入力部を基板の光出力ポートに近い方の側面近傍に配置したまま、第１光導波路部に対応した第１信号電極の入力部から第１光導波路部上に達すまでのフィーダ部の長さを、前述した従来構成の場合よりも短くすることができるようになる。
上記光変調器の一態様としては、例えば、前記基板の形状が長方形であり、前記基板の対向する側面のうちの前記光出力ポートに近い方の側面から前記光出力ポートまでの距離が、前記基板の対向する側面のうちのもう一方の側面から前記光入力ポートまでの距離よりも短くなるようにしたものがある。また、他の態様として、前記基板は、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの位置する端面と該端面に対向する端面とが略平行で、かつ、前記各端面と前記光入力ポートに近い方の側面とのなす角度が略９０度となる、台形状の形状を有するようにしてもよい。基板を台形状とすることで、基板の面積を小さくすることができるようになる。
上記のような本発明の光変調器によれば、第１信号電極のフィーダ部の長さを短くしたことで、第１信号電極における電気信号の損失を減らすことができる。また、基板の形状を台形状とすれば、１枚のウェハから取ることのできるチップの数を増やすことが可能になる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図１は、本発明の第１実施形態による光変調器の構成を示す平面図である。
図１において、本実施形態の光変調器は、例えば、電気光学効果を有する基板（チップ）１０と、該基板１０に形成された２つのマッハツェンダ（ＭＺ）型光導波路部２０Ａ，２０Ｂと、各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂに対応させて基板１０の表面に形成された信号電極３１Ａ，３１Ｂおよび接地電極３２と、を備えて構成される。
基板１０は、例えば、ｚ−カットのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ2）等の結晶基板が使用される。なお、本発明に用いられる基板は上記の一例に限定されるものではなく、電気光学効果を有する公知の基板材料に対して本発明は有効である。
各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂは、例えば、入力導波路２１Ａ，２１Ｂ、分岐部２２Ａ，２２Ｂ、分岐導波路２３Ａ，２４Ａ，２３Ｂ，２４Ｂ、合波部２５Ａ，２５Ｂおよび出力導波路２６Ａ，２６Ｂをそれぞれ有する。これらのＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂは、チタン（Ｔｉ)等の熱拡散やプロトン交換などの処理を施すことにより基板１０の表面付近にそれぞれ形成されている。また、図１で上側にあるＭＺ型光導波路部２０Ａの入力導波路２１Ａの一端（光入力ポートＰｉｎ）と、図１で下側にあるＭＺ型光導波路部２０Ｂの出力導波路２６Ｂの一端（光出力ポートＰｏｕｔ）とは、基板１０の図１で左側にある同一の端面に位置している。さらに、上記の光入出力ポートとは反対側に位置する、ＭＺ型光導波路部２０Ａの出力導波路２６Ａと、ＭＺ型光導波路部２０Ｂの入力導波路２１Ｂとは、曲がり折り返し導波路２７を介して互いに接続されており、２つのＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂがタンデム接続されている。加えて、出力側のＭＺ型光導波路部２０Ｂの長手方向に対して、入力側のＭＺ型光導波路部２０Ｂの長手方向が斜めに配置されており、光入力ポートＰｉｎおよび光出力ポートＰｏｕｔの位置が基板１０の長手方向に沿った対向側面１０Ａ，１０Ｂうちの光出力ポートＰｏｕｔに近い方の側面１０Ｂ側に寄せられている。すなわち、ここでは基板１０の光出力ポートＰｏｕｔに近い方の側面１０Ｂから光出力ポートＰｏｕｔまでの距離をＤｏｕｔとし、基板１のもう一方の側面１０Ａから光入力ポートＰｉｎまでの距離をＤｉｎと定義した場合に、出力側の距離Ｄｏｕｔが入力側の距離Ｄｉｎよりも短くなる（Ｄｏｕｔ＜Ｄｉｎ）よう基板１０内での各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂの配置パターンが決められている。
なお、上記の配置パターンにおいて、ＭＺ型光導波路部２０Ａの入力導波路２１ＡとＭＺ型光導波路部２０Ｂの出力導波路２６Ｂとは、外部の光ファイバ等との接続を考慮して、略平行となるようにするのが好ましい。具体的に、本実施形態では入力導波路２１Ａを分岐部２２Ａの近くで屈曲させることで、入力導波路２１Ａと出力導波路２６Ｂが実質的に平行となるようにパターン設計されている。
曲がり折り返し導波路２７は、上記の光入力ポートＰｉｎと光出力ポートＰｏｕｔの間隔ＩＮＴの半分よりも大きな曲率半径Ｒｒを有するものとする。この曲がり折り返し導波路２７では、例えば図２に示すように、曲率半径Ｒｒが１．５ｍｍより小さくなると、損失が大きく増加してしまう。このような損失の増加を抑えるためには、曲率半径Ｒｒが１．５ｍｍ以上になるように、ＭＺ型光導波路部２０Ａの出力導波路２６Ａと、ＭＺ型光導波路部２０Ｂの入力導波路２１Ｂとの間隔を広げるのがよい。また、曲がり折り返し導波路２７の曲率半径Ｒｒよりも大きな曲率半径ＲｃでＭＺ型光導波路部２０Ａの出力導波路２６Ａを曲げることにより、曲がり折り返し導波路２７における曲がり角が１８０度以下になるようにしても、損失の増加を抑えるのに有効である。さらに、基板１０の曲がり折り返し導波路２７に沿った径方向外側の部分に溝部４１を設けることにより、曲がり折り返し導波路２７における光の閉じ込めを強くして損失の増加を抑えることもできる。溝部４１を設けた場合、曲がり折り返し導波路２７の曲率半径Ｒｒをより小さくすることができるので、光変調器の小型化を図ることも可能になる。ただし、上記の溝部４１は必要に応じて設ければよく、省略することも可能である。
ＭＺ型光導波路部２０Ａに対応した信号電極３１Ａは、入力導波路２１Ａ側にある端部が基板１０の側面１０Ｂに位置し、出力導波路２６Ａ側にある端部が基板１０の側面１０Ａに位置し、かつ、中央部分が一方の分岐導波路２３Ａ上に沿うようにパターニングされている。また、ＭＺ型光導波路部２０Ｂに対応した信号電極３１Ｂは、両端部が基板１０の側面１０Ｂにそれぞれ位置し、かつ、中央部分が一方の分岐導波路２３Ｂ上に沿うようにパターニングされている。接地電極３２は、各信号電極３１Ａ，３１Ｂに対して所要の距離を隔てて配置されている。上記の信号電極３１Ａは、出力導波路２６Ａ側の端部が図示しない抵抗を介して接地されることにより進行波電極とされ、ここでは例えばＮＲＺデータに対応した電気信号ＤＡＴＡが入力導波路２１Ａ側の端部に印加される。また、上記の信号電極３１Ｂは、出力導波路２６Ｂ側の端部が図示しない抵抗を介して接地されることにより進行波電極とされ、ここでは例えばクロックに対応した電気信号ＣＬＫが入力導波路２１Ｂ側の端部に印加される。
なお、信号電極３１Ａ，３１Ｂおよび接地電極３２と基板１０の表面との間には、各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂ中を伝搬する光が各電極によって吸収されるのを防ぐために、ＳｉＯ2などを用いた図示しないバッファ層が形成されているものとする。
次に、第１実施形態の光変調器の動作について説明する。
上記のような構成の光変調器では、外部から光入力ポートＰｉｎに与えられた光ＬｉｎがＭＺ型光導波路部２０Ａの入力導波路２１Ａを伝搬して分岐部２２Ａで２分岐され、各分岐導波路２３Ａ，２４Ａにそれぞれ送られる。各分岐導波路２３Ａ，２４Ａには、信号電極３１Ａを進行する電気信号ＤＡＴＡに応じて信号電極３１Ａと接地電極３２の間で発生する電界が印加され、この電界による電気光学効果によって各分岐導波路２３Ａ，２４Ａの屈折率が変化する。これにより、各分岐導波路２３Ａ，２４Ａを伝搬する各々の光の位相が変化するようになる。
このとき、出力側のＭＺ型光導波路部２０Ｂに対して入力側のＭＺ型光導波路部２０Ｂを斜めに配置し、入力導波路２１Ａおよび出力導波路２６Ｂの位置を基板１０の側面１０Ｂ側に寄せるようにしたことにより、信号電極３１Ａのフィーダ部３１Ｆ（電気信号ＤＡＴＡの入力端から分岐導波路２３Ａ上に達するまでの部分）の長さが、上述の図１１に示した従来構成のように２つのＭＺ型光導波路部を平行に配置した場合と比較して短くなる。これにより、信号電極３１Ａを伝搬する電気信号ＤＡＴＡの損失は、従来構成の場合よりも減少することになる。
そして、ＭＺ型光導波路部２０Ａの分岐導波路２３Ａ，２４Ａを伝搬して位相変調された各光は、合波部２５Ａで合波されることにより、ＮＲＺデータに従って強度変調された光信号が出力導波路２６Ａから出力され、曲がり折り返し導波路２７を通って、ＭＺ型光導波路部２０Ｂの入力導波路２１Ｂに送られる。
入力導波路２１Ｂに与えられた光信号は、分岐部２２Ｂで２分岐されて各分岐導波路２３Ｂ，２４Ｂにそれぞれ送られる。各分岐導波路２３Ｂ，２４Ｂには、信号電極３１Ｂを進行する電気信号ＣＬＫに応じて信号電極３１Ｂと接地電極３２の間で発生する電界が印加され、この電界による電気光学効果によって各分岐導波路２３Ｂ，２４Ｂの屈折率が変化する。これにより、各分岐導波路２３Ｂ，２４Ｂを伝搬する各々の光の位相がそれぞれ変化する。そして、位相変調された各光が合波部２５Ｂで合波されることにより、ＲＺ変調された光信号Ｌｏｕｔが出力導波路２６Ｂから出力されるようになる。
上記のように第１実施形態の光変調器によれば、出力側のＭＺ型光導波路部２０Ｂに対して入力側のＭＺ型光導波路部２０Ｂを斜めに配置したことで、信号電極３１Ａのフィーダ部３１Ｆの長さが短くなるため、信号電極３１Ａにおける電気信号ＤＡＴＡの損失を減らすことが可能になる。また、信号電極３１Ａの電気信号ＤＡＴＡが印加される入力部が、信号電極３１Ｂの電気信号ＣＬＫが印加される入力部と同じ側に位置する基板１０の側面１０Ｂ近傍に配置されているため、各電気信号ＤＡＴＡ，ＣＬＫの入力コネクタを、基板１０が収容される図示しないパッケージの片側に配置することができ、本光変調器の実装時の占有面積を小さくすることが可能である。さらに、曲がり折り返し導波路２７の曲率半径Ｒｒを１．５ｍｍ以上とすると共に、その曲率半径Ｒｒよりも大きな曲率半径ＲｃでＭＺ型光導波路部２０Ａの出力導波路２６Ａを曲げるようにしたことで、曲がり折り返し導波路２７を伝搬する光信号の損失を抑えることができる。加えて、曲がり折り返し導波路２７の径方向外側に溝部４１を設けるようにすれば、曲がり折り返し導波路２７での光の閉じ込めが強くなるので、損失の増加を抑えつつ曲率半径Ｒｒをより小さくすることも可能になる。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図３は、本発明の第２実施形態による光変調器の構成を示す平面図である。
図３において、本実施形態の光変調器は、前述の図１に示した第１実施形態の構成について、入力側のＭＺ型光導波路部２０ＡをＳ字状の形状に変更すると共に、基板１０の側面１０Ａ付近に位置する、信号電極３１Ａの終端部のパターンを変更したものである。なお、上記ＭＺ型光導波路部２０Ａの形状および信号電極３１Ａのパターン以外の構成は、前述した第１実施形態の場合と同様であるため、ここでの説明を省略する。
前述した第１実施形態では、曲がり折り返し導波路２７の曲率半径Ｒｒよりも大きな曲率半径ＲｃでＭＺ型光導波路部２０Ａの出力導波路２６Ａを曲げることにより、曲がり折り返し導波路２７における曲がり角が１８０度以下になるようにした一例を示したが、チップサイズ等の制約から上記の曲率半径Ｒｃを十分に大きくすることができない場合がある。このような場合には、図３に示すようにＭＺ型光導波路部２０Ａ全体をＳ字状の形状とするのが有効である。
また、ＭＺ型光導波路部２０ＡをＳ字状とした場合、ＭＺ型光導波路部２０Ａの出力側部分が基板１０の側面１０Ａに近づくので、終端抵抗を信号電極３１Ａの端部に接続するためのボンディング用パッドが短くなってしまう。これを回避するため本実施形態では、信号電極３１Ａ上の終端側のボンディング用パッドの手前で、電極パターンをコ字状に引き回すことにより、所要のパッド長が確保されるようにしている。
具体的に、上記のボンディング用パッドについては、例えば図３の破線で囲んだＡ部を拡大した図４に示すように、コ字状に引き回された信号電極３１Ａの端部の幅を広げ、その幅を広げた部分の長さに相当するパッド長Ｌｐａｄが、例えば５０μｍ以上となるようにするのが好ましい。
上記のような構成の光変調器によれば、前述した第１実施形態の場合と同様の効果が得られると共に、チップサイズ等の制約があった場合でも、ＭＺ型光導波路部２０ＡをＳ字状とすることにより、曲がり折り返し導波路２７における光信号の損失の増加を抑えることができる。また、ＭＺ型光導波路部２０ＡをＳ字状としても信号電極３１Ａのボンディング用パッドとして基板１０の側面１０Ａ付近に十分なパッド長を確保することができるため、信号電極３１Ａの終端処理を確実かつ容易に行うことが可能になる。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図５は、本発明の第３実施形態による光変調器の構成を示す平面図である。
図５において、本実施形態の光変調器は、例えば、前述の図３に示した第２実施形態の構成について、２つのＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂの間の距離が、曲がり折り返し導波路２７側よりも光入出力ポート側で狭くなる形状を利用して、基板１０を台形状に変更したものである。具体的には、図５で左右に位置する基板１０の対向端面１０Ｃ，１０Ｄが略平行で、かつ、該対向端面１０Ｃ，１０Ｄと図で上側に位置する側面１０Ａとのなす角度が略９０度となるように基板１０をカットするのが好ましい。
また、基板１０を台形状にしたことで、ＭＺ型光導波路部２０Ａと基板１０の側面Ａとの間に電極を設けるための十分なスペースを確保することが難しくなるので、ここでは、一対の分岐導波路２３Ａ，２４Ａのうちで基板１０の内側に位置する分岐導波路２４Ａの上に信号電極３１Ａを配置している。なお、図５には、入力側の信号電極３１Ａに対してクロックに対応した電気信号ＣＬＫが印加され、出力側の信号電極３１Ｂに対してＮＲＺデータに対応した電気信号ＤＡＴＡが印加される一例を示したが、上述した第１，２実施形態の場合と同様に、入力側の信号電極３１Ａに対して電気信号ＤＡＴＡが印加され、出力側の信号電極３１Ｂに対して電気信号ＣＬＫが印加されるようにすることも勿論可能である。
さらに、基板１０を台形状にすると、各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂにそれぞれ対応した接地電極３２の幅が異なるようになるため、例えば、環境温度が変化した場合、接地電極３２と基板１０の熱膨張の差によって応力が発生し、その応力が一方のＭＺ型光変調器で強くなり、その結果、入力側および出力側の各ＭＺ光変調器で光出力がゼロとなる電圧にずれが生じてしまう可能性がある。このような温度変化による特性の劣化を防ぐため、本実施形態では、各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂの間で曲がり折り返し導波路２７付近に位置する領域３３において、接地電極３２を２つに分離することで、各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂに対応した接地電極３２の各々の幅が略同じになるようにしている。
加えて、本実施形態の光変調器では、上述の図１１に示したような従来構成と比べて光入出力ポートの間隔が近づけられているので、外部との接続に２芯ファイバアレイ５０を用いるようにしている。この２芯ファイバアレイ５０は、例えば、入力側の光ファイバとして定偏波ファイバ５１を用い、出力側の光ファイバとしては安価なシングルモードファイバ５２を用いるようにするのが望ましい。
上記のような構成の光変調器では、基板１０を台形状としたことで、基板１０の面積を小さくできるため、１枚のウェハから取ることのできるチップの数を増やすことが可能になる。具体的には、例えば図６に示すように、上述した第１、２実施形態のように基板１０を長方形とした場合に１枚のウェハから６個のチップを取ることができたとすると、基板１０を台形状とすることで同じ１枚のウェハから８個のチップを取ることが可能になる。なお、上記のようなウェハ上のチップ配置に関しては、例えば特開平９−１９７１５０号公報に、テーパー状の導波路チップの製造方法が開示されている。
また、本光変調器では、光入力ポートＰｉｎおよび光出力ポートＰｏｕｔの各端面が斜めにカットされる構成になるので、例えば、光入力ポートＰｉｎの端面で反射した光が、入力側の定偏波ファイバ５１に接続された図示しない光源に戻って特性を劣化させるといった不具合を防ぐことも可能になる。なお、各端面の斜めカットの向きに関しては、図５で右上がりでも左上がりでもどちらでも良いが、本光変調器の構成では、ＭＺ型光導波路部２０ＡがＭＺ型光導波路部２０Ｂよりも端面１０Ｃの近くに配置されるので、ＭＺ型光導波路部２０Ａ側、すなわち光入力ポートＰｉｎ側の基板が長くなるように、端面１０Ｃと側面１０Ｂのなす角度が９０度より大きくなるように基板１０をカットする方が望ましい。
さらに、各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂの間で曲がり折り返し導波路２７付近に位置する領域３３において、各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂに対応した接地電極３２の幅が同程度となるようにしたことで、前述したような温度変化時の電圧のずれによる特性劣化を防ぐことも可能にしている。
ただし、上記のように領域３３の接地電極３２を２つに分離する場合、接地電極３２の幅が１０μｍ未満になると、例えば図７の下段に示すように周波数特性（Ｓ２１）が劣化する。このため、接地電極３２の幅を１０μｍ以上とし、図７の上段に示すような良好な周波数特性が得られるようにするのが望ましい。
なお、上述した第１〜３実施形態に示したように、本発明による光変調器をＲＺ変調方式の光変調器として用いる場合、各信号電極３１Ａ，３１Ｂに与える電気信号は、どちらがクロックに対応した電気信号ＣＬＫで、どちらがＮＲＺデータに対応した電気信号ＤＡＴＡであってもよい。しかしながら、本発明の構成では基板１０上の光導波路の配置が対称ではなくなり、各ＭＺ型光導波路部２０Ａ，２０Ｂの形状が異なるため、変調方式に応じて各信号電極３１Ａ，３１Ｂに与える電気信号を適宜選択することがより有効である。
例えば、キャリア抑圧型ＲＺ（Carrier-Suppressed Return to Zero：ＣＳＲＺ）変調方式などのように、２倍の駆動電圧（Ｖπ）でクロック側の光変調器を動作させる場合は、クロック側の光変調器が低駆動電圧であることが望ましい。そこで、ＣＳＲＺ変調方式について本発明を適用する場合には、入力側のＭＺ型光導波路部１０Ａに対応した信号電極３１Ａの電極長を、出力側のＭＺ型光導波路部１０Ｂに対応した信号電極３１Ｂの電極長よりも長くして駆動電圧を下げ、クロックに対応した電気信号ＣＬＫを信号電極３１Ａに印加し、ＮＲＺデータに対応した電気信号ＤＡＴＡを信号電極３１Ｂに印加するのが好適である。
また、クロック側およびＮＲＺデータ側の各ＭＺ型光変調器のうちのＮＲＺデータ側のＭＺ型光変調器に関しては広帯域であることが求められる。このため、ＮＲＺデータ側の変調帯域がクロック側の変調帯域よりも広くなるようにするのがよい。変調帯域を広げる具体的な方法としては、例えば、ＮＲＺデータに対応した電気信号ＤＡＴＡが印加される信号電極の電極長が、クロックに対応した電気信号ＣＬＫが印加される信号電極の電極長よりも短くなるようにする方法がある。また、ＮＲＺデータ側の信号電極と接地電極の間の距離（ギャップ）をクロック側よりも長くするのも有効である。
さらに、上述の図５に示した第３実施形態の構成では、入力側の信号電極３１Ａにクロックに対応した電気信号ＣＬＫを印加し、出力側の信号電極３１ＢにＮＲＺデータに対応した電気信号ＤＡＴＡを印加するようにしたが、駆動のし易さという観点から、入力側の信号電極３１Ａに電気信号ＤＡＴＡを印加し、出力側の信号電極３１Ｂに電気信号ＣＬＫを印加するようにした方が都合の良い場合がある。このような場合には、出力側のＭＺ型光変調器における駆動電圧を下げる工夫が必要になる。駆動電圧を下げるためには、クロック周波数のみで駆動できる狭帯域光変調器を用いるのが効果的である。図８〜図１０は、その具体的な応用例を示したものである。
まず、図８に示す構成では、上述の図５に示した第３実施形態の構成について、出力側のＭＺ型光導波路部２０Ｂに対応した進行波型の信号電極３１Ｂに代えて、共振型の信号電極３１Ｂ’が設けられている。この信号電極３１Ｂ’は、分岐導波路２３Ｂに沿って形成された部分と、その略中央から基板１０の側面１０Ｂに伸びるフィーダ部とを有し、分岐導波路２３Ｂに沿った部分の長さがクロック周波数に応じて最適化されている。このような構成では、出力側の信号電極３１Ｂ’に印加される電気信号ＣＬＫがクロック周波数で共振するようになるため、低い駆動電圧で出力側のＭＺ型光変調器を動作させることが可能になる。
また、図９に示す構成では、基板１０の分極方向を反転させた分極反転領域６０がＭＺ型光導波路部２０Ｂの分岐導波路２３Ｂ，２４Ｂに沿って複数設けられており、クロック周波数に応じて各分極反転領域６０の長さおよび配置間隔が決められることで、擬似位相整合させた進行波型の光変調器が実現されている。さらに、図１０に示す構成では、出力側のＭＺ型光導波路部２０Ｂの２本の分岐導波路２３Ｂ，２４Ｂ上で、信号電極３１Ｂ”と接地電極３２とが交互に入れ替えられるように電極パターンを設計することで、擬似位相整合させた進行波型の光変調器が実現されている。上記のような擬似位相整合させた進行波型の構成でも、出力側のＭＺ型光変調器がクロック周波数のみで駆動されるようになり、駆動電圧を下げることが可能になる。
なお、上述した第１〜３実施形態およびそれらに関連した応用例では、タンデム接続された２つの光変調器が共にＭＺ型の強度変調器である場合について説明してきたが、本発明はこれに限らず、２つの光変調器の一方、若しくは両方が位相変調器であっても上述した各実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。
（付記１） 電気光学効果を有する基板と、
前記基板の同一端面に配置された光入力ポートおよび光出力ポートと、
前記基板に形成され、一端が前記光入力ポートに接続する第１光導波路部と、
前記基板に形成され、一端が前記光出力ポートに接続する第２光導波路部と、
前記基板に形成され、前記第１および第２光導波路部の各他端の間を接続する曲がり折り返し導波路と、
前記第１光導波路部に沿って設けられた第１信号電極と、
前記第２光導波路部に沿って設けられた第２信号電極と、
前記第１および第２信号電極に対して距離を隔てて設けられた接地電極と、を備えた光変調器において、
前記第１光導波路部の長手方向が前記第２光導波路部の長手方向に対して斜めに配置され、
前記曲がり折り返し導波路の曲率半径が前記光入力ポートと前記光出力ポートの間隔の半分よりも大きく、
前記第１および第２信号電極の電気信号を印加する各入力部が、前記基板の対向する側面のうちの前記光出力ポートに近い方の側面近傍に配置されていることを特徴とする光変調器。
（付記２） 前記基板の形状が長方形であり、
前記基板の対向する側面のうちの前記光出力ポートに近い方の側面から前記光出力ポートまでの距離が、前記基板の対向する側面のうちのもう一方の側面から前記光入力ポートまでの距離よりも短いことを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記３） 前記第１光導波路部の前記曲がり折り返し導波路側の端部付近が、前記曲がり折り返し導波路の曲率半径よりも大きな曲率半径で曲げられており、
前記曲がり折り返し導波路の曲がり角が１８０度以下であることを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記４） 前記基板の前記曲がり折り返し導波路に沿った径方向外側の部分に溝部を備えたことを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記５） 前記曲がり折り返し導波路の曲率半径が１．５ｍｍ以上であることを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記６） 前記第１光導波路部の前記光入力ポート側の端部付近と、前記第２光導波路部の前記光出力ポート側の端部付近とが略平行であることを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記７） 前記第１光導波路部がＳ字状に曲げられていることを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記８） 前記第１信号電極は、前記入力部とは反対側の終端部が、前記基板の対向する側面のうちの前記光入力ポートに近い方の側面近傍に配置されており、その終端部付近の電極パターンが前記光入力ポートに近い方の側面から一旦遠ざかるように引き回されていることを特徴とする付記７に記載の光変調器。
（付記９） 前記第１信号電極は、前記終端部近傍で電極の幅を広げたボンディング用パッドを有し、当該パッド長を５０μｍ以上としたことを特徴とする付記８に記載の光変調器。
（付記１０） 前記基板は、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの位置する端面と該端面に対向する端面とが略平行で、かつ、前記各端面と前記光入力ポートに近い方の側面とのなす角度が略９０度となる、台形状の形状を有することを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記１１） 前記光入力ポートおよび前記光出力ポートは、斜めカットされた端面をそれぞれ有することを特徴とする付記１０に記載の光変調器。
（付記１２） 前記基板は、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの位置する端面と前記光入力ポートに近い方の側面とのなす角度が９０度以上であることを特徴とする付記１０に記載の光変調器。
（付記１３） 前記接地電極は、前記第１および第２光導波路部の間で、かつ、前記曲がり折り返し導波路付近に位置する領域において、前記第１信号電極に対応する部分と前記第２信号電極に対応する部分とに分離していることを特徴とする付記１０に記載の光変調器。
（付記１４） 前記接地電極は、前記第１および第２信号電極に対応する各部分の幅が等しいことを特徴とする付記１３に記載の光変調器。
（付記１５） 前記接地電極の各部分の幅が１０μｍ以上であることを特徴とする付記１４に記載の光変調器。
（付記１６） 前記光入力ポートおよび前記光出力ポートに対して２芯ファイバアレイが接続されていることを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記１７） 前記２芯ファイバアレイは、前記光入力ポートに接続される側の光ファイバが定偏波ファイバであり、前記光出力ポートに接続される側の光ファイバがシングルモードファイバであることを特徴とする付記１６に記載の光変調器。
（付記１８） 前記第１および第２光導波路部は、入力導波路に入力された光を分岐部で２つに分岐して一対の分岐導波路にそれぞれ送り、該各分岐導波路を伝搬した光を合波部で合波して出力導波路より出力するマッハツェンダ干渉計の構造をそれぞれ有することを特徴とする付記１に記載の光変調器。
（付記１９） 前記第１および第２信号電極は、前記第１および第２光導波路部の一対の分岐導波路のうちで前記基板の内側に位置する分岐導波路上にそれぞれ形成されていることを特徴とする付記１８に記載の光変調器。
（付記２０） 前記第１および第２信号電極のうちの一方の信号電極に対してＮＲＺデータに対応した電気信号を印加し、他方の信号電極に対してクロックに対応した電気信号を印加することにより、ＲＺ変調された光信号を出力することを特徴とする付記１８に記載の光変調器。
（付記２１） 前記第１信号電極の電極長が前記第２信号電極の電極長よりも長く、前記第１信号電極に対してクロックに対応した電気信号を印加し、前記第２信号電極に対してＮＲＺデータに対応した電気信号を印加することにより、キャリア抑圧型ＲＺ変調された光信号を出力することを特徴とする付記２０に記載の光変調器。
（付記２２） ＮＲＺデータに対応した電気信号に従って駆動される光導波路部における変調帯域が、クロックに対応した電気信号に従って駆動される光導波路部における変調帯域よりも広くなる構造を具備したことを特徴とする付記２０に記載の光変調器。
（付記２３） ＮＲＺデータに対応した電気信号が印加される信号電極の電極長が、クロックに対応した電気信号が印加される信号電極の電極長よりも短いことを特徴とする付記２２に記載の光変調器。
（付記２４） ＮＲＺデータに対応した電気信号が印加される信号電極と接地電極との間の距離が、クロックに対応した電気信号が印加される信号電極と接地電極との間の距離よりも長いことを特徴とする付記２２に記載の光変調器。
（付記２５） 前記第１信号電極に対してＮＲＺデータに対応した電気信号を印加し、第２信号電極に対してクロックに対応した電気信号を印加するとき、
電気信号に含まれるクロック周波数成分のみに従って前記第２光導波路部を駆動可能な構造を具備したことを特徴とする付記２０に記載の光変調器。
（付記２６） 前記第２信号電極を共振型の構成としたことを特徴とする付記２５に記載の光変調器。
（付記２７） 前記基板の分極方向を反転させた分極反転領域を、前記第２光導波路部の一対の分岐導波路に沿って少なくとも１つ設けることにより、擬似位相整合させた進行波型の構成としたことを特徴とする付記２５に記載の光変調器。
（付記２８） 前記第２光導波路部の一対の分岐導波路上における前記第２信号電極および前記接地電極の配置を交互に入れ替えることにより、擬似位相整合させた進行波型の構成としたことを特徴とする付記２５に記載の光変調器。
本発明の第１実施形態による光変調器の構成を示す平面図である。 曲がり折り返し導波路の曲率半径に対する損失の関係の一例を示した図である。 本発明の第２実施形態による光変調器の構成を示す平面図である。 上記第２実施形態におけるボンディング用パッドの具体例を示した拡大図である。 本発明の第３実施形態による光変調器の構成を示す平面図である。 上記第３実施形態について１枚のウェハから取ることのできるチップ数を説明するための図である。 上記第３実施形態について接地電極の幅により周波数特性が劣化する様子を示した図である。 上記第３実施形態に関連して、共振型の構成を出力側のＭＺ光変調器に適用した応用例を示す平面図である。 上記第３実施形態に関連して、擬似位相整合させた進行波型の構成を出力側のＭＺ光変調器に適用した応用例を示す平面図である。 上記第３実施形態に関連して、擬似位相整合させた進行波型の構成を出力側のＭＺ光変調器に適用した他の応用例を示す平面図である。 ２つのＭＺ型光変調器をタンデム接続した従来の光変調器の構成例を示す平面図である。 上記従来の光変調器における電気信号および光信号の各波形を例示した図である。
符号の説明
１０…基板
１０Ａ，１０Ｂ…側面
１０Ｃ，１０Ｄ…端面
２０Ａ，２０Ｂ…ＭＺ型光導波路部
２１Ａ，２１Ｂ…入力導波路
２２Ａ，２２Ｂ…分岐部
２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ…分岐導波路
２５Ａ，２５Ｂ…合波部
２６Ａ，２６Ｂ…出力導波路
２７…曲がり折り返し導波路
３１Ａ，３１Ｂ…信号電極
３１Ｆ…フィーダ部
３１Ｐ…ボンディング用パッド
３２…接地電極
４１…溝部
５０…２芯ファイバアレイ
５１…定偏波ファイバ
５２…シングルモードファイバ
６０…分極反転領域

Claims (10)

  1. 電気光学効果を有する基板と、
    前記基板の同一端面に配置された光入力ポートおよび光出力ポートと、
    前記基板に形成され、一端が前記光入力ポートに接続する第１光導波路部と、
    前記基板に形成され、一端が前記光出力ポートに接続する第２光導波路部と、
    前記基板に形成され、前記第１および第２光導波路部の各他端の間を接続する曲がり折り返し導波路と、
    前記第１光導波路部に沿って設けられた第１信号電極と、
    前記第２光導波路部に沿って設けられた第２信号電極と、
    前記第１および第２信号電極に対して距離を隔てて設けられた接地電極と、を備えた光変調器において、
    前記第１光導波路部の長手方向が前記第２光導波路部の長手方向に対して斜めに配置され、
    前記曲がり折り返し導波路の曲率半径が前記光入力ポートと前記光出力ポートの間隔の半分よりも大きく、
    前記第１および第２信号電極の電気信号を印加する各入力部が、前記基板の対向する側面のうちの前記光出力ポートに近い方の側面近傍に配置されていることを特徴とする光変調器。
  2. 前記基板の形状が長方形であり、
    前記基板の対向する側面のうちの前記光出力ポートに近い方の側面から前記光出力ポートまでの距離が、前記基板の対向する側面のうちのもう一方の側面から前記光入力ポートまでの距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
  3. 前記第１光導波路部の前記曲がり折り返し導波路側の端部付近が、前記曲がり折り返し導波路の曲率半径よりも大きな曲率半径で曲げられており、
    前記曲がり折り返し導波路の曲がり角が１８０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
  4. 前記基板の前記曲がり折り返し導波路に沿った径方向外側の部分に溝部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
  5. 前記第１光導波路部がＳ字状に曲げられていることを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
  6. 前記基板は、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートの位置する端面と該端面に対向する端面とが略平行で、かつ、前記各端面と前記光入力ポートに近い方の側面とのなす角度が略９０度となる、台形状の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
  7. 前記第１および第２光導波路部は、入力導波路に入力された光を分岐部で２つに分岐して一対の分岐導波路にそれぞれ送り、該各分岐導波路を伝搬した光を合波部で合波して出力導波路より出力するマッハツェンダ干渉計の構造をそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
  8. 前記第１および第２信号電極のうちの一方の信号電極に対してＮＲＺデータに対応した電気信号を印加し、他方の信号電極に対してクロックに対応した電気信号を印加することにより、ＲＺ変調された光信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の光変調器。
  9. ＮＲＺデータに対応した電気信号に従って駆動される光導波路部における変調帯域が、クロックに対応した電気信号に従って駆動される光導波路部における変調帯域よりも広くなる構造を具備したことを特徴とする請求項８に記載の光変調器。
  10. 前記第１信号電極に対してＮＲＺデータに対応した電気信号を印加し、第２信号電極に対してクロックに対応した電気信号を印加するとき、
    電気信号に含まれるクロック周波数成分のみに従って前記第２光導波路部を駆動可能な構造を具備したことを特徴とする請求項８に記載の光変調器。
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