特開 2023-133930 光位相変調器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023133930

(43)【公開日】2023-09-27

(54)【発明の名称】光位相変調器

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/065 20060101AFI20230920BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20230920BHJP

【ＦＩ】

G02F1/065

G02B6/12 363

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022039192

(22)【出願日】2022-03-14

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人情報通信研究機構「革新的情報通信技術研究開発委託研究／超低消費電力・大容量データ伝送を実現する革新的ＥＯポリマー／Ｓｉハイブリッド変調技術の研究開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】304020292

【氏名又は名称】国立大学法人徳島大学

(71)【出願人】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100106208

【弁理士】

【氏名又は名称】宮前 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100138759

【弁理士】

【氏名又は名称】大房 直樹

(72)【発明者】

【氏名】藤方 潤一

(72)【発明者】

【氏名】横山 士吉

【テーマコード（参考）】

2H147

2K102

【Ｆターム（参考）】

2H147AB11

2H147AC01

2H147BG08

2H147DA08

2H147EA12B

2H147EA16A

2H147GA19

2H147GA30

2K102AA21

2K102BA02

2K102BB04

2K102BC04

2K102CA18

2K102DA04

2K102DD01

2K102EA02

2K102EA08

2K102EA12

2K102EA14

(57)【要約】

【課題】スロット導波路を用いた光位相変調器において、変調効率を向上させる。また、光損失を低減し、高速変調を可能とする。
【解決手段】光位相変調器は、基板上に互いに近接して配置された複数の半導体電極と、前記複数の半導体電極の間に配置された電気光学材料とから構成される光導波路と、前記光導波路の光伝搬方向に沿って配列され、各々が前記半導体電極に電気的に接続された、複数の第１引出電極と、前記光導波路の光伝搬方向に沿って配列され、各々が、前記第１引出電極に電気的に接続され、前記第１引出電極に対して前記光伝搬方向にオフセットして配置された、複数の第２引出電極と、を備える。
【選択図】図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に互いに近接して配置された複数の半導体電極と、前記複数の半導体電極の間に配置された電気光学材料とから構成される光導波路と、
前記光導波路の光伝搬方向に沿って配列され、各々が前記半導体電極に電気的に接続された、複数の第１引出電極と、
前記光導波路の光伝搬方向に沿って配列され、各々が、前記第１引出電極に電気的に接続され、前記第１引出電極に対して前記光伝搬方向にオフセットして配置された、複数の第２引出電極と、
を備える光位相変調器。

【請求項2】

前記複数の第２引出電極の各々は、前記複数の第１引出電極のうちの隣り合う２つの引出電極の中央に位置するようにオフセットして配置される、請求項１に記載の光位相変調器。

【請求項3】

前記第１および第２引出電極はそれぞれ等間隔に配置される、請求項１または２に記載の光位相変調器。

【請求項4】

前記第１引出電極は、連続する３以上の引出電極が繰り返し単位となるように周期的に配置される、請求項１または２に記載の光位相変調器。

【請求項5】

前記第１引出電極はそれぞれ不等間隔に配置される、請求項１または２に記載の光位相変調器。

【請求項6】

前記第１および第２引出電極の厚さは、前記半導体電極の厚さと等しい、請求項１から５のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項7】

前記第１および第２引出電極の厚さは、前記半導体電極の厚さよりも薄い、請求項１から５のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項8】

前記第２引出電極の厚さは、前記半導体電極および前記第１引出電極の厚さよりも薄い、請求項１から５のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項9】

前記第１および第２引出電極は半導体で構成される、請求項１から８のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【請求項10】

前記第２引出電極は、前記第１引出電極より電気伝導度が高い半導体で構成される、請求項９に記載の光位相変調器。

【請求項11】

前記複数の第２引出電極と前記複数の第１引出電極の間に、前記複数の第２引出電極を前記複数の第１引出電極に連続的に接続する接続電極をさらに備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光位相変調器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光位相変調器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、スロット導波路のスリット部に電気光学材料を埋め込んだ構成の光変調素子が知られている。図２Ａおよび２Ｂは、そのような従来構成による光位相変調器の一例（例えば、非特許文献１参照）を示す図である。スロット導波路１２０には、その長手方向に沿って周期的に配列された複数の引出電極１３０が接続され、この引出電極１３０を介して、スロット導波路１２０を構成する半導体電極１２２に金属電極１５０から高周波電圧が印加される。これに応じて、スリット部１２３の電気光学材料の屈折率が変化し、スロット導波路１２０の伝搬光が位相変調される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Antao Chen他、”Achieving Higher Modulation Efficiency in Electrooptic Polymer Modulator With Slotted Silicon Waveguide”、Journal of Lightwave Technology, Vol. 29, No. 21、２０１１年１１月１日、p.3310-3318

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような構成の光位相変調器では、光電界が金属電極１５０の近傍まで広がるため、スリット部１２３への光の閉じ込めが弱くなり、変調効率が低下する。また、金属電極１５０において光吸収が生じることにより、光損失が増大する。さらに、金属電極１５０における光吸収を小さくするには引出電極１３０の長さＬを長くする必要があることから、半導体電極１２２と金属電極１５０間の電気抵抗が大きくなり、高速変調動作させることが困難である。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、基板上に互いに近接して配置された複数の半導体電極と、前記複数の半導体電極の間に配置された電気光学材料とから構成される光導波路と、前記光導波路の光伝搬方向に沿って配列され、各々が前記半導体電極に電気的に接続された、複数の第１引出電極と、前記光導波路の光伝搬方向に沿って配列され、各々が、前記第１引出電極に電気的に接続され、前記第１引出電極に対して前記光伝搬方向にオフセットして配置された、複数の第２引出電極と、を備える光位相変調器である。

【0006】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記複数の第２引出電極の各々は、前記複数の第１引出電極のうちの隣り合う２つの引出電極の中央に位置するようにオフセットして配置される。

【0007】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第１および第２引出電極はそれぞれ等間隔に配置される。

【0008】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第１引出電極は、連続する３以上の引出電極が繰り返し単位となるように周期的に配置される。

【0009】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第１引出電極はそれぞれ不等間隔に配置される。

【0010】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第１および第２引出電極の厚さは、前記半導体電極の厚さと等しい。

【0011】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第１および第２引出電極の厚さは、前記半導体電極の厚さよりも薄い。

【0012】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第２引出電極の厚さは、前記半導体電極および前記第１引出電極の厚さよりも薄い。

【0013】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第１および第２引出電極は半導体で構成される。

【0014】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記第２引出電極は、前記第１引出電極より電気伝導度が高い半導体で構成される。

【0015】

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記複数の第２引出電極と前記複数の第１引出電極の間に、前記複数の第２引出電極を前記複数の第１引出電極に連続的に接続する接続電極をさらに備える。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、スロット導波路を用いた光位相変調器において、変調効率を向上させることができる。また、光損失の低減および高速変調が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1A】本発明の第１実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。

【図1B】本発明の第１実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。

【図2A】従来構成による光位相変調器の概略構成図である。

【図2B】従来構成による光位相変調器の概略構成図である。

【図3】本実施形態による光位相変調器と従来構成による光位相変調器の各々における光電界分布のシミュレーション結果を示す。

【図4】本実施形態による光位相変調器と従来構成による光位相変調器の各々における光伝搬損失のシミュレーション結果を示す。

【図5】本実施形態による光位相変調器と従来構成による光位相変調器の周波数応答特性のシミュレーション結果を示す。

【図6】本発明の第２実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。

【図7】本発明の第３実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。

【図8】本発明の第４実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。

【図9】本発明の第４実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。

【図10】本発明の第５実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。

【図11】本発明の第５実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

【0019】

図１Ａおよび１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。図１Ａは、光位相変調器の上面図を示し、図１Ｂは、図１Ａ中のＡＡ、ＢＢ、ＣＣ線による光位相変調器の断面図を示す。本発明の第１実施形態に係る光位相変調器１００は、スロット導波路１２０を備える。スロット導波路１２０は、基板１１０上に近接して配置された一対の半導体電極１２２と、半導体電極１２２間のスリット１２３に埋設された電気光学ポリマー１２４とから構成される。電気光学ポリマー以外の電気光学材料が用いられてもよい。

【0020】

図１Ａにおいて、半導体電極１２２は、基板１１０上において一方向（Ｚ軸）に沿って長く線状に延びている。２本の半導体電極１２２は狭いスリット１２３を介して平行に配置され、このスリット１２３に電気光学ポリマー１２４が充填されている。光はこの２本の半導体電極１２２間のスリット１２３付近に局在して、スリット１２３の長手方向に伝搬する。すなわち、スロット導波路１２０の光伝搬方向は図１ＡのＺ軸方向である。電気光学ポリマー１２４は、電界に応答して電気光学効果を発現する。２本の半導体電極１２２間に電界（高周波電界）が印加されることで、半導体電極１２２間のスリット１２３に充填された電気光学ポリマー１２４の屈折率が変化する。これにより、スロット導波路１２０を伝搬する光に位相変調が加えられる。

【0021】

２本の半導体電極１２２間に電界を印加するために、各半導体電極１２２は、複数の第１引出電極１３０および複数の第２引出電極１４０を介して、金属電極１５０に電気的に接続されている。複数の第１引出電極１３０および複数の第２引出電極１４０もまた、半導体材料で構成された電極である。一対の金属電極１５０には、不図示の駆動回路から、スロット導波路１２０を伝搬する光を位相変調するための変調信号が入力される。

【0022】

複数の第１引出電極１３０は、半導体電極１２２の長手方向に沿って所定の間隔で配列されている。各第１引出電極１３０は、半導体電極１２２の側面に接続され、半導体電極１２２の長手方向と垂直な方向（Ｘ軸方向）に沿って延びている。平面視において、各第１引出電極１３０は、例えば、幅（Ｚ軸方向の寸法）Ｗ１、長さ（Ｘ軸方向の寸法）Ｌ１の矩形形状であってよい。各第１引出電極１３０間の間隔ｄ１は、等間隔であってよい。

【0023】

複数の第２引出電極１４０も、同様に半導体電極１２２の長手方向に沿って所定の間隔で配列されている。各第２引出電極１４０は、第１引出電極１３０の端部に接続され、第１引出電極１３０と同方向（Ｘ軸方向）に沿って延びている。各第２引出電極１４０の反対側の端部は、金属電極１５０に接続されている。平面視において、各第２引出電極１４０は、例えば、幅Ｗ２、長さＬ２の矩形形状であってよい。各第２引出電極１４０間の間隔ｄ２は、等間隔であってよい。

【0024】

図１Ａに示されるように、本発明の第１実施形態に係る光位相変調器１００において、複数の第１引出電極１３０および複数の第２引出電極１４０は、ともにスロット導波路１２０の光伝搬方向に沿って周期的に配置されているが、各第２引出電極１４０は、第１引出電極１３０に対して、スロット導波路１２０の光伝搬方向にオフセットしている。より具体的には、各第２引出電極１４０は、隣り合う２つの第１引出電極１３０と接続され、Ｚ軸方向において当該２つの第１引出電極１３０のちょうど真ん中に配置されている。換言すると、複数の第１引出電極１３０と複数の第２引出電極１４０は互いに半周期ずれて配置されており、第２引出電極１４０間のギャップ１４２（引出電極の存在しない部分）が、各第１引出電極１３０に隣接している。

【0025】

スロット導波路１２０には半導体で構成された第１引出電極１３０が接続されているので、スロット導波路１２０を伝搬する光の電界は、この第１引出電極１３０を伝ってスロット導波路１２０から横方向（Ｘ軸方向）にはみ出して広がる。しかし、各第１引出電極１３０には第２引出電極１４０間のギャップ１４２が隣接していることにより、光電界が第１引出電極１３０の端部を越えてさらに横方向に（すなわちギャップ１４２の部分にまで）広がることが抑制される。つまり、スロット導波路１２０を伝搬する光の電界の横方向への広がりは、おおよそ第１引出電極１３０が存在する範囲（図１Ｂにおいて２つの縦の破線で挟まれた範囲）と同程度となる。

【0026】

このように光電界の横方向への広がりが抑えられる結果、光は、スロット導波路１２０のスリット１２３により強く閉じ込められることとなる。したがって、スロット導波路１２０を伝搬する光とスリット１２３内の電気光学ポリマー１２４との相互作用がより大きくなり、光位相変調器１００における変調効率を向上させることができる。

【0027】

また、光電界が第２引出電極１４０まで広がらないため、金属電極１５０に光が吸収されることによる光位相変調器１００の光損失の増大を防止することができる。さらに、金属電極１５０による光吸収を増大させることなく、金属電極１５０をよりスロット導波路１２０の近くに配置して、第２引出電極１４０の長さＬ２を短くすることができる。これにより、半導体電極１２２と金属電極１５０との間の電気抵抗が小さくなることで回路のＣＲ時定数が小さくなり、その結果、光位相変調器１００において高速な変調動作を行うことが可能となる。

【0028】

ここで、本実施形態による光位相変調器１００の特性を従来構成による光位相変調器と比較する。図２Ａおよび２Ｂは、従来構成による光位相変調器９００（例えば非特許文献１参照）の概略構成図である。図２Ａは光位相変調器の上面図であり、図２Ｂは図２Ａ中のＡＡ線による光位相変調器の断面図を示している。

【0029】

光位相変調器９００は、１段の引出電極１３０のみによって半導体電極１２２と金属電極１５０が接続された構成を有し、第２引出電極を備えていない。このような構成では、長い引出電極１３０が半導体電極１２２から金属電極１５０まで延びているので、光電界がこの長い引出電極１３０を伝って横方向（Ｘ軸方向）に大きく広がり、スロット導波路１２０のスリット１２３への光の閉じ込めが弱くなる。図３は、本実施形態による光位相変調器１００と従来構成による光位相変調器９００の各々における、光電界分布のシミュレーション結果を示す。図３の横軸と縦軸は、それぞれ図１Ａおよび２ＡにおけるＸ軸とＺ軸に対応している。図３に示されるように、本実施形態による光位相変調器１００においては、光位相変調器９００よりも光電界の横方向への広がりが抑えられており、その分、スロット導波路１２０のスリット１２３への光の閉じ込めが強い。したがって、本実施形態による光位相変調器１００は、従来の光位相変調器９００よりも高い変調効率を実現することが可能である。

【0030】

図４は、本実施形態による光位相変調器１００と従来構成による光位相変調器９００の各々における光伝搬損失のシミュレーション結果を示す。図４の横軸は、半導体電極１２２と金属電極１５０間の距離Ｌ（図２Ａ参照）を示し、縦軸は、スロット導波路１２０の単位長さ当りの光伝搬損失を示している。従来構成の光位相変調器９００では、光電界が金属電極１５０の近くにまで広がるため光損失が大きいが、本実施形態による光位相変調器１００においては、光電界が広がる範囲は第１引出電極１３０が存在している領域付近までである（光電界は金属電極１５０の近くまでは広がらない）ため、光損失が低減されている。

【0031】

図５は、本実施形態による光位相変調器１００と従来構成による光位相変調器９００の周波数応答特性のシミュレーション結果を示す。本実施形態の光位相変調器１００では、半導体電極１２２と金属電極１５０間の電気抵抗の低減によりＣＲ時定数が小さくなることで、従来の光位相変調器９００よりも高速な変調動作が実現されている。

【0032】

図６は、本発明の第２実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。図６において、前述の第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、以下ではその説明を省略する。本発明の第２実施形態に係る光位相変調器２００は、第１引出電極１３０と第２引出電極１４０の間に接続電極１３５を備える。接続電極１３５は、スロット導波路１２０と平行に長く線状に延びて配置され、第１引出電極１３０と第２引出電極１４０を接続している。接続電極１３５の幅Ｗ３は、例えば第１引出電極１３０の幅Ｗ１と同程度であってよい。このような接続電極１３５を用いて第１引出電極１３０と第２引出電極１４０を接続することにより、半導体電極１２２と金属電極１５０間の電気抵抗を低減することができる。

【0033】

図７は、本発明の第３実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。図７において、前述の第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、以下ではその説明を省略する。本発明の第３実施形態に係る光位相変調器３００において、各第２引出電極１４０は、第１実施形態の光位相変調器１００と同様、第１引出電極１３０に対してスロット導波路１２０の光伝搬方向にオフセットしているが、隣り合う２つの第１引出電極１３０の真ん中には配置されていない。より具体的には、光位相変調器１００の各第２引出電極１４０は隣り合う２つの第１引出電極１３０と接続されていたが、本実施形態の光位相変調器３００では、各第２引出電極１４０は、１つの第１引出電極１３０とのみ接続され、当該１つの第１引出電極１３０の側に偏って配置されている。

【0034】

しかし、図７に示されるように、この光位相変調器３００においても、各第１引出電極１３０には、第２引出電極１４０間のギャップ１４２（引出電極の存在しない部分）が隣接している。そのため、第１実施形態の場合と同様に、光電界が第１引出電極１３０の端部を越えてギャップ１４２の部分にまで広がることを抑制することができる。したがって、第１引出電極１３０と第２引出電極１４０のオフセットが図７に示されるようなものであっても、高い変調効率、低光損失、高速変調動作を実現することが可能である。

【0035】

図８および９は、本発明の第４実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。図８および９において、前述の第２実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、以下ではその説明を省略する。本発明の第４実施形態に係る光位相変調器４００において、複数の第１引出電極１３０は、等間隔ではなく、第１引出電極１３０間の間隔がｄ１、ｄ３、ｄ１、ｄ３、…（但しｄ１≠ｄ３）と繰り返すように、配置される。また本発明の第４実施形態に係る光位相変調器５００において、複数の第１引出電極１３０は、第１引出電極１３０間の間隔がｄ１、ｄ１、ｄ３、ｄ１、ｄ１、ｄ３、…（但しｄ１≠ｄ３）と繰り返すように、配置される。このように、本実施形態では、第１引出電極１３０間の間隔が不等間隔となっている。第１引出電極１３０間の間隔は、図８および９に示されるのとは異なる任意の態様の不等間隔であってもよい。

【0036】

既述した実施形態の光位相変調器のように第１引出電極１３０間の間隔が等間隔である場合、スロット導波路１２０を伝搬する光は、そのような周期的構造（すなわち等間隔配置された第１引出電極１３０）によって多重反射されて、減衰することが起こり得る。第４実施形態に係る光位相変調器では、第１引出電極１３０間の間隔が不等間隔であることにより、複数の第１引出電極１３０が連なった構造からの多重反射を抑制し、光損失をさらに低減することができる。

【0037】

図１０および１１は、本発明の第５実施形態に係る光位相変調器の概略構成図である。図１０および１１において、前述の第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、以下ではその説明を省略する。本発明の第５実施形態に係る光位相変調器６００において、第１引出電極１３０および第２引出電極１４０は、半導体電極１２２よりも薄い厚さを有する。第１引出電極１３０が薄く形成されていることにより、第１引出電極１３０の内部の光電界が小さくなり、スロット導波路１２０のスリット１２３への光の閉じ込めをより強くすることができる。また、本発明の第５実施形態に係る光位相変調器７００において、半導体電極１２２および第１引出電極１３０は同じ厚さを有し、第２引出電極１４０は、それらよりも薄い厚さを有する。第２引出電極１４０が第１引出電極１３０よりも薄いことで、光電界の横方向（ギャップ１４２側）への広がりがさらに抑制される。これにより、図１０の光位相変調器６００と同様に、スロット導波路１２０のスリット１２３への光の閉じ込めをより強くすることができる。

【0038】

いくつかの実施形態において、半導体電極１２２、第１引出電極１３０、第２引出電極１４０、および接続電極１３５は、種々の半導体材料で構成されてよい。例えば、半導体電極１２２および第１引出電極１３０はＩｎＰ（インジウムリン）で構成され、第２引出電極１４０はＳｉ（シリコン）で構成されてよい。ＩｎＰに代えて、他のＩＩＩ－Ｖ族半導体が用いられてもよい。光電界が比較的大きい部分（すなわち半導体電極１２２および第１引出電極１３０）の材料をＩｎＰとすることで、光損失を低く抑えることができる。また、光電界がほぼ存在しない部分（すなわち第２引出電極１４０）の材料を電気伝導度の高いＳｉとすることで、半導体電極１２２と金属電極１５０間の全体としての電気抵抗を低減することができる。なお、各電極１２２、１３０、１４０、１３５は同一の半導体材料で構成されるのであってもよい。

【0039】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0040】

１００ 光位相変調器
１１０ 基板
１２０ スロット導波路
１２２ 半導体電極
１２３ スリット
１２４ 電気光学ポリマー
１３０ 第１引出電極
１３５ 接続電極
１４０ 第２引出電極
１４２ ギャップ
１５０ 金属電極

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】