WO2006106807A1

WO2006106807A1 - 光制御素子

Info

Publication number: WO2006106807A1
Application number: PCT/JP2006/306624
Authority: WO
Inventors: Tohru Sugamata; Satoshi Oikawa
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd.
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2006-10-12
Also published as: US7912325B2; JP4958771B2; EP1870765A4; WO2006112055A1; JP2007114222A; US20090202189A1; EP1870765A1; JPWO2006106807A1

Abstract

　非導波光の光導波路への入射を抑制し、光変調特性などの光学特性に優れた光制御素子を提供することを目的とする。　電気光学効果を有する材料で形成された基板と、該基板の表面又は裏面に形成された光導波路とを含む光制御素子において、該光導波路内を伝搬する光波の伝搬方向に沿って、該光導波路が変調領域ｂ（ｓ）と非変調領域ａ，ｃとを有し、隣接する該変調領域と該非変調領域に係る光導波路の伝搬定数β０～β３は、該変調領域を構成する光導波路が単数の場合には、該変調領域と該非変調領域とでは異なる値に設定され、該変調領域を構成する光導波路が複数の場合には、該変調領域の光導波路の少なくとも１つが該非変調領域のものと異なる値に設定されていることを特徴とする。

Description

明細書

光制御素子

技術分野

[0001] 本発明は、光制御素子に関し、特に、電気光学効果を有する材料で形成された基板に光導波路を有する光制御素子に関する。

背景技術

[0002] 従来、光通信分野や光測定分野にぉレ、て、電気光学効果を有する基板上に光導波路や変調電極を形成した導波路型光変調器が多用されている。

特に、マルチメディアの発展に伴い情報伝達量も増加傾向にあり、光変調周波数の広帯域化を実現する必要がある。これらを実現するためには LiNbO (以下、「LN」と

3

いう。）変調器等による外部変調方式が多様化されている。しかし、 LN変調器の広帯域の実現には、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合、及び駆動電圧の低減を図る必要がある。

[0003] 前記課題の解決手段として、基板の厚みを薄くすることにより、マイクロ波と光波の速度との速度整合条件を満足させ、且つ駆動電圧の低減を同時に図ることが知られている。

以下の特許文献 1又は 2においては、 30 z m以下の厚みを有する薄い基板（以下、「第 1基板」という。）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第 1基板より誘電率の低い他の基板（以下、「第 2基板」という。）を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図り且つ基板の機械的強度を維持することが行われている。

特許文献 1 :特開昭 64— 18121号公報

特許文献 2 :特開 2003— 215519号公報

[0004] 特許文献 1又は 2では、主に、第 1基板には LNが利用され、第 2基板には、石英、ガラス、アルミナなど LNより低誘電率の材料が使用されている。これらの材料の組合せでは、線膨張係数の違いにより、温度変化に伴う温度ドリフトや DCドリフトが発生することとなる。特許文献 2においては、このような不具合を除去するため、第 1基板と第 2基板との接合を、第 1基板に近い線膨張係数を有する接着剤を利用して行うことも開示されている。

[0005] し力ながら、光導波路を形成した光制御素子、例えばマッハツェンダー型 LN光変調器においては、図 1 (a)に示すように、光ファイバと光変調器との結合部で、光変調器内の光導波路と結合しない入射光 10が非結合光（デカップリング光）として、光導波路外の基板内を伝搬したり、光導波路や特に Y分岐部における散乱光 11や放射光 12が同様に基板内を伝搬するという問題を有している。また、図 1 (b)に示すように、分岐光導波路などの隣接した光導波路間では伝搬光の一部 13が他の光導波路に移行するクロストークなどの問題が生じている。

[0006] このような非結合光，散乱光又はクロストーク光など（以下、「非導波光」という）は、光導波路に入射し、例えば、光変調器の変調曲線 (理想的には cos² Θの関数系。 ) が歪むなどの不具合を生じる。

特に、光導波路を形成した基板の厚さが、 30 μ ΐη以下又は導波光のモードフィールド径の 2倍以下になると、以下の現象が特に顕著となることを本発明者らは見出した。

(1)導波光モード径が縦方向（基板表面に垂直な方向）と比較して横方向（基板表面に平行な方向）に広がり始め、非結合光や各種の散乱光が増加すると共に、導波路間のクロストークが増大する。

(2)非結合光などの非導波光が基板中をあた力も導波光にように伝搬し、後段の導波路に再結合する。

これらの現象に起因して、変調曲線が大きく歪むため、光変調器の消光比が劣化したり、変調曲線の最大透過光量が異なるなど、光変調器の特性や制御に大きな問題が発生する。

[0007] 上述した基板の厚みを薄くした場合の影響について、図 2 (a)に示すマッハツエンダー型光導波路を有する光変調器の場合を例に説明する。一点鎖線 A又は Bで切断した場合の断面の様子を図 2 (b)又は (c)に示す。 2つの分岐光導波路部分 3， 4 を通過する光波の断面形状 23は、図 2 (b)に示すように、基板 1の横方向に広がった形状となる。また、分岐光導波路部分が合流する Y分岐部から放射される光波 12も、図 2 (c)のように横方向に広がった形状を示し、光導波路 5を伝搬する光波 24と極めて近接した構成となる。このような状況では、放射光 12である非導波光と光導波路 5 を伝搬する光波 24との再結合が発生し易ぐ光変調器の変調特性が劣化する大きな原因となる。なお、図 2 (a)では明示されていなレ、が、 21は変調電極、 22は接地電極、 20は基板 1と補強板 21とを接合する接着層を示している。

[0008] 図 3に、基板の厚みの変化の影響を明確にするため、基板の厚みを変化させた場合の光導波路のモード径の偏平度変化の様子を示す。図 3では、 LN基板の下側に誘電体 (屈折率 n= l . 45)を配置し、上側には空気層を配置した状態を想定し、さらに、 Tiの熱拡散により導波路幅 6 μ m、成膜時の Ti厚を 500 Aと 900 Aの場合を想定した。光導波路のモード径の偏平度は、横方向の径を x、縦方向の径 yとし、 x/y の値を偏平度として表した。これにより、 LN基板の厚みが、 Ti厚 500Aの場合には 3 0 μ m以下から、 Ti厚 900 Aの場合には 15 μ m以下となると、急激に偏平度が変化している様子が理解される。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] 本発明が解決しょうとする課題は、上述した問題を解決し、非導波光の光導波路への入射を抑制し、光変調特性などの光学特性に優れた光制御素子を提供することである。

課題を解決するための手段

[0010] 上記課題を解決するため、請求項 1に係る発明では、電気光学効果を有する材料で形成された基板と、該基板の表面又は裏面に形成された光導波路とを含む光制御素子において、該光導波路内を伝搬する光波の伝搬方向に沿って、該光導波路が変調領域と非変調領域とを有し、 P 接する該変調領域と該非変調領域に係る光導波路の伝搬定数は、該変調領域を構成する光導波路が単数の場合には、該変調領域と該非変調領域とでは異なる値に設定され、該変調領域を構成する光導波路が複数の場合には、該変調領域の光導波路の少なくとも 1つが該非変調領域のものと異なる値に設定されていることを特徴とする。

本発明における「伝搬定数」とは、 2 π η/ λ (ηは屈折率、 λは波長を表わす）で定義される、伝搬する光の位相を表す定数を意味する。

[0011] 請求項 2に係る発明では、請求項 1に記載の光制御素子において、該光導波路の伝搬定数の調整は、該光導波路の屈折率を調整することにより行うことを特徴とする

[0012] 請求項 3に係る発明では、請求項 2に記載の光制御素子において、該光導波路の屈折率の調整は、該光導波路の幅を変化させることにより行うことを特徴とする。

[0013] 請求項 4に係る発明では、請求項 2に記載の光制御素子において、該光導波路の屈折率の調整は、該光導波路中又は該光導波路近傍あるいは該光導波路上に、伝搬定数を変化させる物質を拡散又は装荷することを特徴とする。

[0014] 請求項 5に係る発明では、請求項 4に記載の光制御素子において、伝搬定数を変化させる物質は、 Mg〇， Si〇、TiO又は Zn〇の少なくとも一つを含むことを特徴と

2 2

する。

[0015] 請求項 6に係る発明では、請求項 1乃至 5のいずれかに記載の光制御素子において、該光導波路の入射側光導波路部分は、該光導波路を伝播する光波の伝搬定数力シングノレモード条件を満足することを特徴とする。

[0016] 請求項 7に係る発明では、請求項 1乃至 6のいずれかに記載の光制御素子において、該基板の光導波路が形成された領域の少なくとも一部の厚みが、 30 / m以下又は導波光のモードフィールド径幅の 0· 3〜2· 0倍であることを特徴とする。

本発明における「モードフィールド径幅」とは、光強度が 1/e²のなる幅を意味する。発明の効果

[0017] 請求項 1に係る発明により、光導波路内を伝搬する光波の伝搬方向に沿って、該光導波路が変調領域と非変調領域とを有しており、 P 接する該変調領域と該非変調領域に係る光導波路の伝搬定数は、該変調領域を構成する光導波路が単数の場合には、該変調領域と該非変調領域とでは異なる値に設定され、該変調領域を構成する光導波路が複数の場合には、該変調領域の光導波路の少なくとも 1つが該非変調領域のものと異なる値に設定されているため、一方の領域の光導波路で発生した非導波光が、他方の領域の光導波路に再結合することが抑制され、光制御素子の光学特性を安定化させることが可能となる。 [0018] 請求項 2に係る発明により、光導波路の伝搬定数の調整は、該光導波路の屈折率を調整することにより行うため、製造工程を複雑化することなぐ容易に伝搬定数の調整を行うことが可能となる。

[0019] 請求項 3に係る発明により、光導波路の屈折率の調整は、該光導波路の幅を変化させることにより行うため、光導波路の形成工程を利用して、容易に伝搬定数の調整が可能となる。

[0020] 請求項 4に係る発明により、光導波路の屈折率の調整は、該光導波路中又は該光導波路近傍あるいは該光導波路上に、伝搬定数を変化させる物質を拡散又は装荷することにより行うため、光導波路部分だけでなぐ光導波路以外の基板領域においても、伝搬定数の調整が可能となる。また、伝搬定数を変化させる物質を拡散又は装荷は、光制御素子の製造工程の一部を変更するだけで行うことが可能であり、伝搬定数の調整を容易に実現できる。

[0021] 請求項 5に係る発明により、伝搬定数を変化させる物質は、 Mg〇， Si〇、 Ti〇又

2 2 は Zn〇の少なくとも一つを含むため、熱拡散や膜形成により、容易に伝搬定数の調整を行うことが可能となる。

[0022] 請求項 6に係る発明により、光導波路の入射側光導波路部分は、該光導波路を伝播する光波の伝搬定数が、シングルモード条件を満足するため、光制御素子とシングノレモードの光ファイバとの結合性を向上することが可能となる。

[0023] 請求項 7に係る発明により、基板の光導波路が形成された領域の少なくとも一部の厚みが、 30 μ ΐη以下又は導波光のモードフィールド径幅の 0. 3〜2. 0倍であるため、特に非導波光の再結合やクロストークが危惧される光制御素子において、効果的にこれらの不具合を防止し、光学特性の優れた光制御素子を提供することが可能となる。

図面の簡単な説明

[0024] [図 1]非導波光の様子を示す図である。

[図 2]モードフィールド径幅が変化する様子などを模式的に示す図である。

[図 3]基板の厚みに対する光導波路モード径の偏平度を示すグラフである。

[図 4]本発明に係る光制御素子の参考例を示す図である。 [図 5]伝搬定数を変化させる物質を装荷又は拡散した光制御素子を示す図である。

[図 6]光導波路の幅を調整して伝搬定数を変化させた光制御素子を示す図である。

[図 7]本発明に係る光制御素子の実施例 1を示す図である。

[図 8]非変調領域を説明する図である。

[図 9]本発明に係る光制御素子の実施例 2を示す図である。

[図 10]本発明に係る光制御素子の実施例 3を示す図である。

[図 11]光制御素子の変調曲線を本発明と従来例とで対比したグラフである。

符号の説明

[0025] 1 , 101 基板

2, 102 入射側光導波路部分

3, 4, 103， 104 分岐光導波路部分

5, 105 出射側光導波路部分

6, 7 Y分岐部

10, 11 , 12, 13, 110, 111, 112, 113, 114 非導波光

20 接着層

21 変調電極

22 接地電極

23, 24 導波光

25 補強板

30, 31， 40 伝搬定数を変化させる物質

発明を実施するための最良の形態

[0026] 以下、本発明の好適例を用いて詳細に説明する。

まず、本発明の前提となる非導波光の再結合を防止するための基本的技術について、以下の光制御素子の参考例を用いて説明する。

以下の参考例として用いる光制御素子は、電気光学効果を有する材料で形成された基板と、該基板の表面又は裏面に形成された光導波路とを含む光制御素子において、該光導波路の伝搬定数は、部分的に異なる値に設定されていることを特徴とする。図 4は、光制御素子に係る参考例を示す概略図である。

以下の説明では、光導波路としてマッハツェンダー型光導波路を中心に説明する力本発明は、これらの形状の光導波路に限定されるものではない。

[0027] 図 4は、マッハツェンダー型光導波路のみを示した図であり、光導波路は、入射側光導波路部分 2、 Y分岐部を経て 2つに分岐された分岐光導波路部分 3， 4、及び合波部となる Y分岐部を経て配置される出射側光導波路部分 5から構成されている。参考例においては、分岐光導波路部分 3及び 4におけるクロストークを防止するため、光導波路の各領域における該光導波路内を伝搬する光波の伝搬定数〜β

0 3 を変化させている。

[0028] 具体的には、分岐光導波路部分を 3つの領域（Cから D， Dから E， Eから Fの 3つの領域。以下では、 Cから Dの領域を「CD領域」のように表現する。 )に分け、各領域の長さを L , L , Lで表している。各領域において、隣接する分岐光導波路部分で、伝

1 2 3

搬定数が一致しないように、伝搬定数の選択が行われている。例えば、 CD領域では、分岐光導波路部分 3の伝搬定数はであるが、他方の分岐光導波路部分 4の伝搬定数は i3 であり、両者の伝搬定数は異なっている。このように隣接する分岐光導

2

波路間で伝搬定数を異ならせることにより、両者間におけるクロストークの発生を効果的に防止することが可能となる。その他の DE領域及び EF領域においても同様である。

[0029] また、参考例においては、各伝搬定数 βに各領域の長さ Lを掛けた実効的伝搬定

' Lの平均値が、各分岐光導波路部分において等しくなるよう設定されている。具体的には、各分岐光導波路部分における実効的伝搬定数の総和が以下の式を満足する。

β - L + β - L + β - L = β - L + β - L + β - L

1 1 2 2 3 3 2 1 3 2 1 3

[0030] このように実効的伝搬定数の平均値を等しくすることにより、各分岐光導波路部分における光波の伝搬時間を一致させることが可能となり、各分岐光導波路部分を伝搬する光波の位相を調整する機構を不要又は簡略化させることが可能となり、光制御素子の複雑化や製造コストの増加を抑制することも可能となる。

[0031] 参考例においては、分岐光導波路部分を 3つの領域に分けた例を示したが、本発明においては、これに限るものではなぐ隣接する分岐光導波路部分で、伝搬定数がー致しないようにした領域が 1つ以上であれば、少なくともクロストーク現象は抑制される。また、光波の伝播時間を調整する機能も付加するには、少なくとも 2つ以上の領域に分けて伝搬定数を設定することが好ましレ、。

[0032] 図 5は、参考例の伝搬定数の具体的な調整方法を図示したものである。伝搬定数を調整するには、図 5 (a)の符号 30又は 31で示すように、光導波路上に伝搬定数を変化させる物質 30を装荷したり、光導波路中に伝搬定数を変化させる物質 31を拡散する。

伝搬定数を変化させる物質としては、 MgO, Si〇、TiO又は Zn〇などが使用可能

2 2

であり、これらのうち少なくとも一つの材料を基板上に装荷又は基板内に拡散することで、伝搬定数が調整される。

特に伝搬定数を変化させる物質 30を装荷させる場合には、 SiOが好ましぐ光導

2

波路中に拡散させる場合には、 MgOや TiO、さらには ZnOなどがより好適に使用さ

2

れる。

なお、拡散物質を用いてクロストークを防止する技術を開示したものとして、以下の特許文献 3がある。

特許文献 3 :特開昭 56— 164313号公報

[0033] また、図 5 (b)に示すように、光導波路の近傍に伝搬定数を変化させる物質を拡散又は装荷することでも、光導波路の伝搬定数を調整することができる。図 5 (b)では、分岐光導波路部分を、 GH領域と HI領域の 2つの領域に分けた例を示す。

符号 40は、伝搬定数を変化させる物質を拡散又は装荷したものであり、場合によつては、溝を形成することでも伝搬定数を調整することが可能である。

[0034] 図 6では、伝搬定数を調整する他の方法を示す。

図 6 (a)は、参考例の伝搬定数の調整に使用可能な、 3つの領域に対応して伝搬定数を変化させたものである。ここでの伝搬定数の調整は、分岐光導波路の幅を通常の光導波路の幅に加えて、 w〜wの 3種類の幅で変化させることにより行っている

1 3 具体的には、 CD領域では、分岐光導波路部分 3の幅は wであり、他方の分岐光導波路部分 4の幅は wとなるように設定されている。以下同様にして、 DE領域及び

2

EF領域においても、隣接する分岐光導波路部分の幅が異なることにより伝搬定数を異なる値とすることが可能となり、両者間でのクロストークを防止することが可能となるなお、光導波路の幅を変更してクロストークを防止する技術を開示したものとして、以下の特許文献 4がある。

特許文献 4：特開平 4一 204524号公報

[0035] 図 6 (b)は、分岐光導波路部分 3の一部のみを図示したものである。図 6 (a)に示すように、各領域で伝搬定数を異ならせる場合に、光導波路の幅を急激に変化させると、光導波路内を伝搬する光波が反射又は散乱されるという新たな問題を生ずることとなる。このため、図 6 (b)に示すように、各領域間では、光導波路の幅が徐々に変化する移行領域 50を設けている。このような移行領域 50は、図 5に示す伝搬定数を変化させる物質を使用する場合にも適用することが可能であり、その場合には、当該物質の密度や形状 (幅や高さ）を空間的に徐々に変化するよう構成する。

[0036] さらに図 6 (c)では、光導波路の幅を、 JL領域において連続的に変化させる場合の例を示している。分岐光導波路部分 3においては幅 w力 wに、また分岐光導波路

1 0

部分 4においては幅 w力 wへと連続的に変化させている。図 6 (c)においては、各

0 1

分岐光導波路部分の最小幅と最大幅を等しくしているが、これに限るものではない。また、 JL領域の途中（点線 K)における各分岐光導波路部分の幅 wと wについて a b は、常に両者の和 W +Wが一定となるように設定することで、隣接した分岐光導波 a b

路部分間においてのクロストークを防止するだけでなぐ光制御素子の温度変化に伴う光学特性の変化を抑制することが可能となる。

[0037] し力、も、図 6 (c)に示すように、各分岐光導波路部分の最小幅 wと最大幅 wとを等

0 1 しくする場合には、各分岐光導波路を伝搬する光波の伝搬時間や損失を等しくすることも可能となり、極めて光学特性の優れた光制御素子を提供することが可能となる。

[0038] 次に、本発明に係る光制御素子について詳細に説明する。

なお、本発明の光制御素子においても、上述した光導波路の伝搬定数の調整方法が活用できることは、言うまでもない。本発明の光制御素子は、電気光学効果を有する材料で形成された基板と、該基板の表面又は裏面に形成された光導波路とを含む光制御素子において、該光導波路内を伝搬する光波の伝搬方向に沿って、該光導波路が変調領域と非変調領域とを有し、隣接する該変調領域と該非変調領域に係る光導波路の伝搬定数は、該変調領域を構成する光導波路が単数の場合には、該変調領域と該非変調領域とでは異なる値に設定され、該変調領域を構成する光導波路が複数の場合には、該変調領域の光導波路の少なくとも 1つが該非変調領域のものと異なる値に設定されていることを特徴とする。

[0039] 図 7は本発明に係る光制御素子の実施例 1を示す図である。

図 7において、光ファイバ 108から入射した光波は、入射側光導波路部分 102を伝搬し、分岐部となる Y分岐部で分岐光導波路部分 103と 104とに分かれて伝搬する。光波はさらに、分岐光導波路部分 103と 104とは合波部となる Y分岐部で合波し、出射側光導波路部分 105を伝搬して、光ファイバ 9への出射する。

[0040] この光波の伝搬に際して、非導波光としては、光ファイバと光制御素子との結合部で発生する非結合光 110、入射側光導波路部分を伝搬中に放射される放射光 111 、分岐部から放射される散乱光 112、分岐光導波路部分を伝搬中に放射される放射光 113、さらに、合波部から放射される放射光 114などがある。

例えば、分岐光導波路部分の近隣する 2つの光導波路間でクロストークを防止する方法は、上述したとおりであるが、これらの非導波光の多くは、光波の伝搬方向に沿つて伝搬する傾向があるため、非導波光が発生した箇所より先にある光導波路と再結合する確率が極めて高くなる。特に、図 7 (a)で示す領域 aで発生した非導波光は領域 bの光導波路と、また、領域 bで発生した非導波光は領域 cの光導波路と主に再結合を起こす。

[0041] 本発明は、この異なる領域で発生した非導波光が当該領域の光導波路に再結合することを防止することを目的とするものであり、特に、隣接する領域で発生した非導波光の再結合を集中的に抑制することにより、光制御素子全体として光伝搬損失を増大させず、

消光比などの光変調特性の優れた光制御素子を提供することを目的とする。 [0042] 図 7 (a)の光制御素子について、光導波路内を伝搬する光波の伝搬方向に沿って光制御素子全体を俯瞰すると、光変調動作を伴わない領域 a及び領域 cと、光変調動作が行われる領域 bとがあることが理解される。

本発明では、領域 a及び領域 cを「非変調領域」といい、領域 bを「変調領域」と述べている。

[0043] ただし、「変調領域」についてもう少し詳細に説明すると、領域 bの光導波路は、光導波路を伝搬する光波が不図示の変調電極の形成する電界により変調を受ける光導波路部分 (作用部とも言う。図 7 (a)中の領域 sに相当。）と、分岐部から該領域 sに繋がる部分及び該領域 sから合波部に繋がる部分から構成されている。領域 sでは、変調電極などが配置され光導波路に印加される電界の変化が頻繁に発生しており、また、光導波路の形状も直線部分が比較的長いため、非導波光の放射や再結合は専ら領域 sで行われることが多い。このため、領域 b全体よりも領域 sを「変調領域」として捉えることの方が、より好ましい。

[0044] 図 7 (a)において、変調領域 (b又は s)では、光導波路が 2本存在しているが、本発明は、このような変調領域に複数の光導波路を有する光制御素子のみを対象とするものではなぐ例えば、光位相変調器のように変調領域に単数の光導波路を有する光制御素子も含むものである。

[0045] また、「非変調領域」についても、非変調領域の光導波路は、図 8に示すように、常に単一の伝搬定数を有してレ、るものではなレ、。

図 8では、入射側光導波路部分 102の入力部と出力部（分岐部）との拡大図を丸囲みで示している。

図 8に示すように、入力部では、光ファイバと入射側光導波路部分 102との結合効率を改善するため、光ファイバ側に向かって光導波路幅が広くなる部分 120を有している。また、分岐部では、入射側光導波路部分 102を伝搬するシングルモード光が、効率良く分岐するため、分岐部の光導波路の幅を一旦広げる部分 121を形成し、その後、分岐光導波路部分 103， 104に分岐させるよう構成されている。

[0046] このため、「非変調領域」の範囲は、このような光導波路の幅が急激に変化する入力部 120や出力部 121を除き、図 8の丸囲みの点線の位置から矢印方向の範囲を、「非変調領域」として捉える方が、より好ましいといえる。

[0047] 本発明の光制御素子においては、非変調領域の光導波路と変調領域の光導波路との伝搬定数に着目し、非導波光の再結合を防止している。

図 7 (b)は、図 7 (a)の光制御素子の光導波路について、伝搬定数を付した図である。

非変調領域 aの光導波路 102で発生した非導波光が、変調領域 b (又は s)の光導波路 103 , 104に再結合するのを防止するためには、光導波路 102の伝搬定数 j3

0 を、光導波路 103の伝搬定数 j3 又は光導波路 104の伝搬定数 j3 と異ならせること

1 2

が必要である（/3 ≠ β ，又は /3 ≠ β )。ただし、 β は、 β 及び /3 の 2つと共に異

0 1 0 2 0 1 2

なる必要は無ぐ少なくとも 1つと異なることで、非導波光の再結合を一定程度を防止することが可能である。当然、変調領域に光導波路が単数しかない場合には、当該光導波路の伝搬定数が、非変調領域のものと異なる必要がある。

[0048] 次に、変調領域 b (又は s)の光導波路 103 , 104で発生した非導波光が、非変調領域 cの光導波路 105に再結合するのを防止するためには、光導波路 103の伝搬定数 β 又は光導波路 104の伝搬定数 i3 と、光導波路 105の伝搬定数 i3 と力 S異なること

1 2 3 が必要である（i3 ≠ β ,又は β ≠ β )。 β は、 β 及び i3 の 2つと共に異なる必要

1 3 2 3 3 1 2

は無ぐまた、変調領域に光導波路が単数しかない場合についても、上述した場合と同様である。

[0049] また、変調領域 b (又は s)における光導波路 103と 104との間のクロストークを防止するには、図 4乃至 6を用いて説明したように、 ≠ とするなど、伝搬定数を種々

1 2

調整することが好ましい。

[0050] 図 9は本発明に係る光制御素子の実施例 2を示す図である。

実施例 2では、マッハツェンダー型光導波路を直列に接続した場合について、非導波光の再結合を防止する技術について説明する。

図 9の光導波路は、光導波路内の光波の伝搬方向に沿って見ると、非変調領域 a、変調領域 b (又は s i )、非変調領域 c、変調領域 d (又は s 2)、及び非変調領域 eの順となっている。

[0051] 図 7で説明したように、隣接する各領域に対して以下の条件を満足することで、非導波光の再結合を抑制することが可能となる。光導波路 130から 136における各光導波路の伝搬定数を図 9に示すようにから β で表す。

0 6

(1)非変調領域 aと変調領域 bとの関係： ≠ β 又は β ≠ β

0 1 0 2

(2)変調領域 bと非変調領域 cとの関係： /3 ≠ 又は β ≠ β

1 3 2 3

(3)非変調領域 cと変調領域 dとの関係： /3 ≠ β 又は β ≠ β

3 4 3 5

(4)変調領域 dと非変調領域 eとの関係： ≠ β 又は β ≠ β

4 6 5 6

[0052] 各変調領域におけるクロストークを防止するには、 β ≠ β , β ≠ β の条件を満

1 2 4 5

足することが必要である。

[0053] 図 10は本発明に係る光制御素子の実施例 3を示す図である。

実施例 3では、マッハツェンダー型光導波路を並列に接続した場合について、非導波光の再結合を防止する技術について説明する。

図 10の光導波路は、光導波路内の光波の伝搬方向に沿って見ると、非変調領域 a 、変調領域 b、及び非変調領域 cの順となっている。また、変調領域 bにおいては、詳細に見ると、領域 sl、領域 s2、及び領域 s3の順で異なる領域が形成されている。

[0054] このような大きな光導波路の構成に、細かな光導波路の構成が組み込まれている場合には、まず、大きな光導波路の構成における伝搬定数の関係を考え、次に細かな光導波路の構成における伝搬定数の関係を考慮することが好ましい。

光制御素子全体として見た場合には、以下の条件を満足することで、非導波光の再結合を抑制することが可能となる。光導波路 140から 149における各光導波路の伝搬定数を図 10に示すようにからで表す。

0 9

(1)非変調領域 aと変調領域 bとの関係： ≠ ( β 〜β の少なくとも 1つ）

0 1 8

(2)変調領域 bと非変調領域 cとの関係： ( β 〜β の少なくとも 1つ）≠ β

1 8 9

なお、領域 siや領域 s3の光導波路 141 , 142又は 147， 148の長さが短い場合には、伝搬定数 j3 ， β 又は β , β との調整は考慮する必要がない。

1 2 7 8

[0055] 次に、細かな光導波路の構成 (サブ'マッハツェンダー型光導波路）については、領域 s2のみに限らず、領域 si又は領域 s3においても DC電極などの変調電極を配置する可能性があるが、光導波路の構成で見ると、図 7のマッハツェンダー型光導波路と同じであるため、図 7の考え方をそのまま適用することで、以下の条件により非導波光の再結合を防止することができる。なお、上側のサブ'マッハツェンダー型光導波路にっレ、てのみ例示する。

(1)領域 s lと領域 s2との関係： ≠ β 又は β ≠ β

1 3 1 4

(2)領域 s2と領域 s3との関係： j3 ≠ β 又は β ≠ β

3 7 4 7

[0056] 各変調領域におけるクロストークを防止するには、例えば、領域 s2においては、 β

3

≠ β , β ≠ β の条件を満足することが必要である。

4 5 6

[0057] 図 7、図 9及び図 10における伝搬定数の調整方法は、図 5及び 6に示した各種の調整方法が採用でき、調整する対象も光導波路だけでなぐ非導波光が伝搬する基板領域に伝搬定数の調整を施すことも可能である。

[0058] また、光制御素子の光学特性をより高性能に維持するためには、各分岐光導波路部分における伝搬定数の調整箇所が、両者の中心点に対して点対称となるように配置あるいは、非導波光に対する伝搬定数の調整箇所が光導波路に対して線対称となるように配置することにより、温度変化に伴う応力の影響を均等にすることが可能となる。

[0059] さらに、光制御素子と光ファイバ一との光学的結合効率を高め、非結合光を発生させないためには、光ファイバ一のシングルモード条件に適合するように、光導波路の伝搬定数を設定することが好ましレ、。

[0060] 本発明に係る光制御素子に使用される電気光学効果を有する材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、 PLZT (ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高レ、ニオブ酸リチウム (LN)結晶が好適に利用される。

図 2及び 3に示すように、基板の光導波路が形成された領域の少なくとも一部の厚み力 30 x m以下又は導波光のモードフィールド径幅の 0. 3〜2. 0倍である場合には、特に導波光モード径が縦方向と比較して横方向に広がり始め、非結合光や各種の散乱光が増加すると共に、導波路間のクロストークが増大する。しかも、非結合光などの非導波光が基板中をあた力、も導波光にように伝搬し、後段の導波路に再結合し易くなるなどの問題点が顕著となることから、これらの薄き基板部分を有する光制御素子には、本発明を適用することが好ましい。 [0061] 図 1 1に、本発明に係る光制御素子の変調曲線の結果を示す。図 1 1 (a)では、 LN 基板の厚みを 10 / mとし、図 6に示す形状の光導波路を、分岐光導波路部分の伝搬定数の調整領域を 2つに設定し (CD領域と DE領域の 2つ）、入射側光導波路部分、出射側光導波路部分及び伝搬定数が調整された分岐光導波路部分 3の CD領域（分岐光導波路部分 4の DE領域）の各幅 wはとし、他の領域の幅 wは 7 μ

1 2 mとした。また、各領域の長さは、 L =L = 15mmとした。

1 2

図 1 1 (b)におレ、ては、光導波路の幅を全て 6 μ mとした以外は、図 1 1 (a)の場合と同様に作成した。

[0062] 図 1 1のグラフを見ると、従来の光変調器では、非導波光の影響により、図 1 1 (b)のように変調曲線が大きく歪んでいるが、本発明を適用した光変調器では、図 1 1 (a)に示すように、変調曲線が極めて良好な状況に改善していることが理解される。

[0063] 本発明は、上述した光制御素子に限定されるものではなぐ例えば、分岐光導波路に係る内容を隣接する複数の光導波路に適用したり、上記の伝搬定数の調整方法も、物質の拡散や装荷と併せて光導波路の幅を調整するなど、適宜必要に応じて組合わせて行うことも可能であることは、言うまでもなレ、。

産業上の利用可能性

[0064] 以上説明したように、本発明によれば、非導波光の光導波路への入射を抑制し、光変調特性などの光学特性に優れた光制御素子を提供することが可能となる。

Claims

請求の範囲

[1] 電気光学効果を有する材料で形成された基板と、該基板の表面又は裏面に形成された光導波路とを含む光制御素子において、

該光導波路内を伝搬する光波の伝搬方向に沿って、該光導波路が変調領域と非変調領域とを有し、

隣接する該変調領域と該非変調領域に係る光導波路の伝搬定数は、該変調領域を構成する光導波路が単数の場合には、該変調領域と該非変調領域とでは異なる値に設定され、該変調領域を構成する光導波路が複数の場合には、該変調領域の光導波路の少なくとも 1つが該非変調領域のものと異なる値に設定されていることを特徴とする光制御素子。

[2] 請求項 1に記載の光制御素子にぉレ、て、該光導波路の伝搬定数の調整は、該光導波路の屈折率を調整することにより行うことを特徴とする光制御素子。

[3] 請求項 2に記載の光制御素子において、該光導波路の屈折率の調整は、該光導波路の幅を変化させることにより行うことを特徴とする光制御素子。

[4] 請求項 2に記載の光制御素子において、該光導波路の屈折率の調整は、該光導波路中又は該光導波路近傍あるいは該光導波路上に、伝搬定数を変化させる物質を拡散又は装荷することを特徴とする光制御素子。

[5] 請求項 4に記載の光制御素子にぉレ、て、伝搬定数を変化させる物質は、 MgO， Si

O、Ti〇又は ZnOの少なくとも一つを含むことを特徴とする光制御素子。

2 2

[6] 請求項 1乃至 5のいずれかに記載の光制御素子において、該光導波路の入射側光導波路部分は、該光導波路を伝播する光波の伝搬定数が、シングルモード条件を満足することを特徴とする光制御素子。

[7] 請求項 1乃至 6のいずれかに記載の光制御素子において、該基板の光導波路が形成された領域の少なくとも一部の厚み力 30 μ m以下又は導波光のモードフィールド径幅の 0· 3〜2· 0倍であることを特徴とする光制御素子。