JP6191116B2 - 光変調装置 - Google Patents
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Description
ここで、リング導波路のような屈曲した導波路中を伝搬する光の分布は導波路の外側(屈曲方向とは逆の方向。「屈曲方向」とは、図12のリング導波路92において、リング導波路92上の1点からリングを構成する同心円の中心を臨む方向をいう。)に偏ることが知られている。このときのリング導波路92と対比させた光分布の状態を図13の太線で示す。同図に示すように、リング導波路92の屈曲の影響で光分布のピークが外側導波路922の側に偏り、光分布におけるピークはスロット920から外れている。このような状態において、正極側パッド電極98および負極側パッド電極99に電源(不図示)を接続して低屈折率媒質に電界を印加しても、光の分布と電界の分布にずれが生じているので、適切な変調がなされず変調効率が低下し、そのため同じ変調効率を得るためには駆動電圧を大きくする必要があるという問題がある。
ここで、「略平行」とは、光変調装置の製造誤差や、経時的変化、環境状態に応じた変形等を許容した範囲内で、平行であることをいう。
また、「屈曲方向」とは、屈曲させる対象から屈曲の中心を臨む方向、すなわち、たとえば図12のリング導波路92において、リング導波路92上の1点からリングを構成する同心円の中心を臨む方向をいう。
また、請求項7に記載の発明は、請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の発明において、前記分波器は、前記入力光を入力する単一導波路、および二分岐された入力光の各々を単一導波路モードからスロット導波路モードに変換して前記第1のスロット導波路と前記第2のスロット導波路とに導く2つの非対称モード変換器を備え、前記合波器は、前記出力光を出力する単一導波路、および前記第1のスロット導波路と前記第2のスロット導波路との各々を伝搬した前記入力光の各々をスロット導波路モードから単一導波路モードに変換して合波する2つの非対称モード変換器を備えるものである。
図1(a)を参照して、本実施の形態に係る光変調装置10の構成について説明する。なお、光変調装置10は、図1(a)におけるA−A線断面図である図1(b)に示すようにパッド電極を除いて表面全体がSiO2膜26で覆われているが、図1(a)の平面図においては、理解の容易化のために該SiO2膜を省いて表している。この点につき、図2も同様である。
光変調装置10は、基板16上に配された、入出力導波路14、リング導波路12、正極側パッド電極18、負極側パッド電極20、および導波路15を含んで構成されている。入出力導波路14および導波路15は、リング導波路12と光学的に結合されており、導波路15はドロップ用の導波路である。
光変調装置10は、先述した光変調装置90と同様に、波長選択性を有する光スイッチとして機能する。正極側パッド電極18と負極側パッド電極20との間に電源を接続してリング導波路12のスロットに充填された電気光学効果を有する低屈折率媒質に電界を印加することにより、切り替える波長を可変とすることが可能である。
図4ないし図7は、屈曲したスロット導波路における内側導波路と外側導波路の幅をパラメータとして、電界の分布がどのように変化するかをシミュレーションした結果の一例を示している。本シミュレーションは、屈曲における曲率半径を10μmとし、モード解析ツールであるRSoft社のFemSIMを用いて実行した。
Δφ=πnr 3rΓEl/λ
Δφは位相変調量、λは波長、nrは電気光学効果を有する材料の屈折率、rは電気光学定数、Γは信号光と変調電界との重なり量、Eは印加電界、lは位相変調が機能している部分の長さである。ここで、上述した閉じ込め係数Γは、上式における重なり量Γに他ならない。つまり、位相変調量はΓに比例する(位相変調量∝Γ)ので、閉じ込め係数Γを上述したように高めることによって、同じ電界Eを印加した場合でも位相変調量Δφを飛躍的に高めることが可能となるのである。あるいは、同じ長さlでも変調電圧(駆動電圧)を下げることができるのである。
また、入出力導波路14および導波路15は、スロット導波路であってもよいし、単一の導波路からなる通常の平面導波路であってもよい。
つぎに、Si層24をリング導波路の形状にエッチングすべく、マスクを用いてドライエッチングを行う。ドライエッチングは、一例として、SF6(六フッ化硫黄)とO2(酸素)の混合ガスによる反応性イオンエッチングを用いることができるが、これに限られず他のドライエッチング方法を用いてもよい。エッチング後、不要なマスクは、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により剥離する。(図8(b))
ドーピング後、不要なマスクは、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により剥離する。その後ウエハを熱処理してアニーリングを施し、ドーピングによるSi結晶のダメージを修復する。(図8(c))
なお、電極を形成する金属はAlに限られずAu(金)等を用いてもよい。
その後、電気光学効果を有するポリマ(EOポリマ)の一種であるAJ−CKL1と母材(溶媒)となるポリマであるPMMA(Polymenthyl Methacrylate:ポリメタクリル酸メチル)とを1−1−2トリクロロエチレンに溶かした溶液を塗布し、約80℃の温度で加熱して溶媒1−1−2トリクロロエチレンを揮発させる。本工程により、低屈折率媒質であるEOポリマで充填されたスロットが形成されて、光変調装置10が集積されたウエハが完成する。(図8(f))
さらに、EOポリマの電気光学効果を機能させるために、光変調装置10のチップを約90℃に加熱しながら、正極側パッド電極18と負極側パッド電極20との間に数Vないし数10Vの電圧を印加してEOポリマを配向させる。
本実施の形態に係る光変調装置80は、第1の実施の形態において光分布を変える方法を異ならせたものである。図1と異なる点は、リング導波路12をリング導波路32に置き換えた点のみなので、全体の構成は図1(a)を参照することとする。
リング導波路32は、基板16上に配された、スロット320、外側導波路322、内側導波路324、正極側パッド電極18、および負極側パッド電極20を含んで構成されている。図1では、外側導波路122と内側導波路124の幅を異ならせて光分布を変えていたが、図9では、リング導波路32の外側導波路322と内側導波路324の幅は同一としている(図9で、Wi=Wo)。その代わり、内側導波路324の屈折率が外側導波路322の屈折率よりも相対的に大きくなるように構成している。内側導波路324と外側導波路322との間で屈折率差を設けるには、たとえば、内側導波路324をSiで形成し、外側導波路322をSi3N4(窒化シリコン)で形成するとよい。
本実施の形態は、本発明をMZ(マッハツェンダ)型光変調装置に適用した形態である。MZ型光変調装置とは、2つの位相変調装置の両端を50:50カプラで接続し、両位相変調装置において伝搬する光の位相差を0または半波長(π)としたのち合波することにより、DC(直流)光である入力光に対して振幅変調を行う変調装置である。
各電極の接続は、通常電極58bを接地(グランド)電位とし、電極58aと58cとの間に変調電気信号(通常マイクロ波ディジタル信号)を印加する。変調電気信号には直流バイアスが重畳される場合もある。
接続点C1において、単一導波路310から2本の導波路(モード変換部単一導波路312およびモード変換部テーパ導波路314)に乗り換える際、2本の導波路のうちの1本をテーパ状にすることにより、接続点C1の前後における単一導波路310の実効屈折率と非対称モード変換器300の実効屈折率とが等しくなるように構成されている。かかる構成によって、接続点C1における入力光Pinの反射を抑えることができる。
以上の説明で明らかなように、本実施の形態に係る非対称モード変換器300を用いることにより、単一導波路とスロット導波路とを低損失で結合することが可能となる。
12 リング導波路
14 入出力導波路
15 導波路
16 基板
18 正極側パッド電極
20 負極側パッド電極
22 SiO2層
24 Si層
26 SiO2膜
32 リング導波路
50 光変調装置
52a、52b アーム導波路
54 入力側50:50カプラ
56 出力側50:50カプラ
58a、58b、58c 電極
60 基板
62 入力導波路
64 出力導波路
90 光変調装置
92 リング導波路
94 入出力導波路
95 導波路
96 基板
98 正極側パッド電極
99 負極側パッド電極
120 スロット
122 外側導波路
124 内側導波路
200 単位スロット導波路
202 単位スロット導波路
210 スロット
212 外側導波路
214 内側導波路
300 非対称モード変換器
310 単一導波路
312 モード変換部単一導波路
314 モード変換部テーパ導波路
316、318 導波路
320 スロット
322 外側導波路
324 内側導波路
602 SiO2層
604 Si層
920 スロット
922 外側導波路
924 内側導波路
Claims (7)
- 各々、所定の屈折率より高い高屈折率媒質で形成され互いに平行に配置された導波路対、および前記導波路対の間に配置され、電気光学効果を有する前記所定の屈折率より低い低屈折率媒質が充填されたスロットを具備する導波路構造を有するとともに、前記導波路構造の少なくとも一部分に、前記導波路対を含む面に平行または略平行な面内において所定の屈曲方向に屈曲された複数の屈曲部が形成され、かつ前記複数の屈曲部の各々における前記導波路対のうち前記屈曲方向の側の導波路の幅が前記屈曲方向とは反対方向の側の導波路の幅よりも広く形成された第1のスロット導波路、および第2のスロット導波路と、
入力光を二分岐し二分岐された入力光の各々を前記第1のスロット導波路、および前記第2のスロット導波路に導く分波器と、
前記第1のスロット導波路、および前記第2のスロット導波路の各々を伝搬した前記入力光を合波した出力光を出力する合波器と、
前記第1のスロット導波路が具備するスロット、および前記第2のスロット導波路が具備するスロットの各々に対して、該スロットを伝搬する光と交差する方向に電界を印加する電界印加手段と、
を含む光変調装置。 - 各々、所定の屈折率より高い高屈折率媒質で形成され互いに平行に配置された導波路対、および前記導波路対の間に配置され、電気光学効果を有する前記所定の屈折率より低い低屈折率媒質が充填されたスロットを具備する導波路構造を有するとともに、前記導波路構造の少なくとも一部分に、前記導波路対を含む面に平行または略平行な面内において所定の屈曲方向に屈曲された複数の屈曲部が形成され、かつ前記複数の屈曲部の各々における前記導波路対のうち前記屈曲方向の側の導波路の屈折率が前記屈曲方向とは反対方向の側の導波路の屈折率よりも大きくされた第1のスロット導波路、および第2のスロット導波路と、
入力光を二分岐し二分岐された入力光の各々を前記第1のスロット導波路、および前記第2のスロット導波路に導く分波器と、
前記第1のスロット導波路、および前記第2のスロット導波路の各々を伝搬した前記入力光を合波した出力光を出力する合波器と、
前記第1のスロット導波路が具備するスロット、および前記第2のスロット導波路が具備するスロットの各々に対して、該スロットを伝搬する光と交差する方向に電界を印加する電界印加手段と、
を含む光変調装置。 - 前記低屈折率媒質が、電気光学効果を有するポリマである
請求項1または請求項2に記載の光変調装置。 - 前記複数の屈曲部における前記導波路対の一方の導波路および他方の導波路の少なくとも一部が導電体とされており、
前記電界印加手段が、前記一方の導波路の前記導電体部分に接続された第1の電極、および前記他方の導波路の前記導電体部分に接続された第2の電極を含んで構成される
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光変調装置。 - 前記複数の屈曲部の各々が、各々共通の幅を有するとともに所定の方向に屈曲した複数の単位スロット導波路を、屈曲方向を変えて交互にかつ各々の単位スロット導波路のスロット同士が連続するように接続されている
請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の光変調装置。 - 前記複数の単位スロット導波路の各々が略半円形状である
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の光変調装置。 - 前記分波器は、前記入力光を入力する単一導波路、および二分岐された入力光の各々を単一導波路モードからスロット導波路モードに変換して前記第1のスロット導波路と前記第2のスロット導波路とに導く2つの非対称モード変換器を備え、
前記合波器は、前記出力光を出力する単一導波路、および前記第1のスロット導波路と前記第2のスロット導波路との各々を伝搬した前記入力光の各々をスロット導波路モードから単一導波路モードに変換して合波する2つの非対称モード変換器を備える
請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の光変調装置。
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