DE69837870T2

DE69837870T2 - Lichtmodulatoren

Info

Publication number: DE69837870T2
Application number: DE69837870T
Authority: DE
Inventors: Makoto Hamamatsu City Minakata; Jungo Miyoshi-cho Nishikamo-gun Kondo; Takashi Ama-gun Yoshino; Minoru Naka-ku Nagoya City Imaeda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1998-09-28
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: EP0905543B1; JPH11101962A; DE69837870D1; EP0905543A3; JP3723333B2; EP0905543A2; US6111682A

Description

Hintergrund der Erfindung
(1) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtmodulatoren, wie z.B. Lichtmodulatoren vom Wanderwellentyp.
(2) Beschreibung des Stands der Technik
Es wird vorhergesagt, dass mit dem dramatischen Anstieg der Kommunikationskapazität auf dem Gebiet der optischen Kommunikation die Kapazität von lichtübertragenden Systemen gesteigert werden muss. Derzeit wird in der Praxis eine Lichtübertragungsgeschwindigkeit von 2,4 GB/s umgesetzt. Verglichen mit dem Frequenzband (etwa 200 THz), in dem Übertragungen durch optische Fasern erfolgen können, entspricht das in der Praxis eingesetzte Maß jedoch nur einem Tausendstel des Maximums. Für die dramatische Steigerung der Übertragungskapazität ist die Entwicklung der Lichtmodulationstechnologie von Bedeutung.
Es besteht die Möglichkeit, dass ein Lichtmodulator vom Wanderwellentyp unter Verwendung von Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithiumtantalat (LiTaO₃), Kaliumlithiumniobat (KIN), Kaliumtitanylphosphat (KTP) oder Galliumarsenid (GaAs) als optischer Wellenleiter hervorragende Eigenschaften aufweist, und eine große Bandbreite mit hoher Effizienz erzielen kann. Lithiumniobat und Lithiumtantalat sind herausragende Materialien für ferroelektrisches Material, weisen günstigerweise große elektrooptische Koeffizienten auf und können Licht innerhalb eines kurzen Strahlengangs steuern.
Als Faktoren, die die Modulationsfrequenz des Lichtmodulators vom Wanderwellentyp einschränken, können Geschwindigkeitsfehlanpassung, Dispersion und Elektrodenleistungsverlust angeführt werden. Da Geschwindigkeitsfehlanpassung und Dispersion im Wesentlichen von der Struktur des Lichtmodulators vom Wanderwellentyp bestimmt werden, ist es wichtig, die Struktur zu analysieren und diese angemessen zu gestalten. Andererseits spielen die Leitfähigkeit und der Skin-Effekt des Materials beim Leistungsverlust der Elektrode eine wichtige Rolle.
Die Geschwindigkeitsfehlanpassung wird detaillierter erläutert. In dem Lichtmodulator des Wanderwellentyps unterscheidet sich die Geschwindigkeit des Lichts, das sich entlang des optischen Wellenleiters ausbreitet, stark von der eines elektrischen Signals (Mikrowelle), das sich entlang der Elektrode ausbreitet. Es wird angenommen, dass die Geschwindigkeit des Lichts und die der Mikrowelle, die sich durch den Kristall ausbreitet, als Vo bzw. Vm bezeichnet werden. Im Fall von LiNbO₃ mit Elektroden vom planaren Typ beträgt der Brechungsindex des LiNbO₃-Einkristalls beispielsweise 2,15 (Wellenlänge: 1,5 μm), und die Geschwindigkeit des Lichts, das sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitet, verhält sich zu dem Brechungsindex umgekehrt proportional. Der effektive Brechungsindex der Modulationswelle ergibt sich andererseits aus der Quadratwurzel der dielektrischen Konstante in der Umgebung des Leiters. Der LiNbO₃-Einkristall ist ein einachsiger Kristall, und die dielektrische Konstante in Z-Achsen-Richtung beträgt 28, die in X-Achsen- und Y-Achsen-Richtung beträgt 43. Auch wenn der Einfluss der Luft mit einer dielektrischen Konstante von 1 berücksichtigt wird, ist der effektive Brechungsindex des LiNbO₃-Modulators mit einer herkömmlichen Struktur demnach etwa 4, was etwa 1,9 × 2,14 entspricht. Aus diesem Grund ist die Geschwindigkeit der Lichtwelle etwa 1,9-mal so groß wie die der Modulationswelle.
Die Obergrenze der Bandbreite fm der Lichtmodulation oder der Modulationsgeschwindigkeit verhält sich proportional zum Kehrwert des Geschwindigkeitsunterschieds zwischen der Lichtwelle und der Mikrowelle. Das bedeutet: fm = 1/(Vo – Vm). Wenn man demnach annimmt, dass der Leistungsverlust H der Elektrode Null ist, entspricht die Bandbreite fm × der Elektrodenlänge M = 9,2 GHz·cm dem Grenzwert. Es wird berichtet, dass in einem Lichtmodulator mit einer Elektrodenlänge M = 2,5 mm fm = 40 GHz ist. Die Wirkung aufgrund des Grenzwerts der Betriebsgeschwindigkeit wird deutlicher, wenn die Elektroden länger sind. Aus diesem Grund- besteht ein starker Bedarf an einem Lichtmodulator mit großer Bandbreite und hohem Wirkungsgrad.
Kürzlich wurde für optische Wellenleitervorrichtungen, wie z.B. Hochgeschwindigkeitsmodulatoren vom optischen Wellenleitertyp und Hochgeschwindigkeitsschalter, vorgeschlagen, die Phasenanpassungsfrequenz zwischen dem durch den optischen Wellenleiter fortgepflanzten Licht und der von außen angelegten Modulationsspannung um mehrere zehn GHz nach oben zu verschieben, indem eine obere Elektrode auf einem Substrat in einer speziellen Form angeordnet oder eine aufgehäufte Glasschicht ausgebildet wird ("EO devices using LN" in "O plus E", 91–97 (Mai 1995)).
Gemäß dieser Literatur wird die Modulationsgeschwindigkeit durch eine Erhöhung der Dicke der Elektrode und eine Pufferschicht aus SiO₂ gesteigert, da die Geschwindigkeit der Mikrowelle durch den mittleren Wert der dielektrischen Konstante eines Bereichs bestimmt wird, durch das elektrische Kräfte zwischen einer dünnen Signalelektrode und einer Erdungselektrode hindurchtreten. Außerdem muss die charakteristische Impedanz annähernd etwa 50 Ω (Ohm) betragen, da die Elektrode des Wanderwellentyps einen Wanderdurchgang darstellt. Um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen, wird vorgeschlagen, dass die Elektrode und die Pufferschicht in Form eines Vorsprungs, einer Auskragung, einer Nut, in abgeschlossener Form oder dergleichen ausgebildet werden.
Ein so konstruierter Lichtmodulator des Wanderwellentyps erfordert jedoch ein kompliziertes, kostspieliges Herstellungsverfahren mit mehr Schritten. Zusätzlich dazu muss der optische Wellenleiter mit der Pufferschicht und den Elektroden, die kompliziert gestaltet sind, hochpräzise fluchtend angeordnet sein. Außerdem besteht die Wahrscheinlichkeit, dass Eigenschaften, wie z.B. der Brechungsindex, durch die Bildung einer durch die Bearbeitung denaturierten Schicht aufgrund von bei der Bearbeitung entstehenden Schäden verändert werden, und ein Simulationsergebnis in Bezug auf eine optische Wellenleitervorrichtung hat ergeben, dass die Eigenschaften beeinträchtigt und die Lichtabsorptionseigenschaften und die Extinktionsrateneigenschaften unzureichend werden. Wenngleich die oben genannten, schwierigen Probleme, die sich aus dem Herstellungsverfahren ergeben, gelöst sind, ist es weiterhin schwierig, Hochgeschwindigkeitsmodulation mit mehr als 10 GHz·cm umzusetzen.
Die DE 196 49 441 und US-A-5790719 offenbaren eine optische Steuervorrichtung mit einem Substrat mit Rippen, das optische Wellenleiter enthält. Auf einer Rippe ist eine Elektrode angebracht, die auf beiden Seiten über die Rippe vorsteht. Erdungselektroden befinden sich auf der Oberfläche des Substrats und sind niedriger angeordnet als der Scheitelpunkt der Rippen.
Die JP 53-36255 veranschaulicht einen elektrooptischen Modulator des Rippentyps, der mit einer Elektrode ausgestattet ist, die seitlich von dem Scheitelpunkt der Rippe vorsteht. Die vorstehenden Teile der Elektrode liegen Erdungselektroden gegenüber, die an den beiden Seiten der Rippe ausgebildet sind; der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden ist mit dielektrischen Materialien gefüllt, die eine geringe Permittivität aufweisen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Lichtmodulator zum Modulieren von Licht bei Anlegen einer Signalspannung bereitzustellen, der eine neue Struktur aufweist, wodurch er in der Lage ist, die Geschwindigkeitsanpassung zwischen dem Licht und der Modulationswelle im Vergleich mit herkömmlichen Lichtmodulatoren bei einer höheren Frequenz umzusetzen, und der somit bei einer Frequenz von mehr als mehreren zehn GHz betrieben werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Lichtmodulator zum Modulieren von Licht bei Anlegen einer Signalspannung, wie in Anspruch 1 dargelegt, bereit.
Diese und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen deutlich, wobei klar ist, dass Modifikationen, Variationen und Veränderungen der Erfindung für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung leicht durchzuführen sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
1 eine Querschnittsansicht eines Lichtmodulators 1 als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine perspektivische Ansicht des Lichtmodulators in 1 zeigt;
3 ein Graph ist, der die Beziehung von L/W, d/W und den effektiven Brechungsindex nm der Modulationswelle in Bezug auf den Lichtmodulator in 1 und 2 zeigt;
4 ein Graph ist, der die Beziehung von d/w und die Modulationsbandbreite fm in dem Lichtmodulator aus 1 und 2 zeigt, wobei L/W = 3,9 war;
5 ein Graph ist, der die Beziehung von d/w, den effektiven Brechungsindex nm der Modulationswelle und den Korrekturkoeffizienten des elektrischen Felds T in Bezug auf den Lichtmodulator aus 1 und 2 zeigt, wobei L/W = 3,9 war;
6 eine Querschnittsansicht eines Lichtmodulators 21 als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine perspektivische Ansicht des Lichtmodulators 21 aus 6 zeigt;
8 ein Graph ist, der die Beziehung L/W, d/W und den effektiven Brechungsindex nm der Modulationswelle in Bezug auf den Lichtmodulator in 6 und 7 zeigt;
9 ein Graph ist, der die Beziehung von d/w und die Modulationsbandbreite fm in dem Lichtmodulator aus 6 und 7 zeigt, wobei L/W = 3,0 war;
10 ein Graph ist, der die Beziehung von d/w, den effektiven Brechungsindex nm der Modulationswelle und den Korrekturkoeffizienten des elektrischen Felds T in Bezug auf den Lichtmodulator aus 6 und 7 zeigt, wobei L/W = 3,0 war;
11 eine Querschnittsansicht eines Lichtmodulators 32 zeigt; und
12 ein Graph ist, der die Beziehung L/W, d/W und den effektiven Brechungsindex nm der Modulationswelle in Bezug auf den Lichtmodulator in 11 zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten verschiedene Simulationen und Experimente über einen längeren Zeitraum hinweg durch, um einen Lichtmodulator herzustellen, der mit einem Substrat aus einem Material mit einer hohen dielektrischen Konstante, beispielsweise Lithiumniobat, ausgestattet ist, und zwar so, dass der Modulator in einem extrem hohen Frequenzbereich von mehr als mehreren zehn GHz betrieben werden kann, was bisher noch nicht umgesetzt wurde. In der Folge haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts durch den optischen Wellenleiter an die Geschwindigkeit der Modulationswelle bei einer extrem hohen Frequenz angepasst werden kann, indem eine Elektrode, die auf dem optischen Wellenleiter bereitgestellt ist, breiter gestaltet wird als der optische Wellenleiter und zumindest ein Teil der Elektrode seitlich über den optischen Wellenleiter vorragt. Den Erfindern gelang die vorliegende Erfindung basierend auf dieser Erkenntnis. Die vorliegende Erfindung ist epochal und gewerblich von großer Bedeutung, da Lichtmodulation und Lichtübertragung erstmals in einer Bandbreite von mehreren zehn GHz und einer Bandbreite von 100 GHz umgesetzt wurden.
Wenn eine der Elektroden von dem optischen Wellenleiter wie zuvor angesprochen vorragt und eine bestimmte Signalspannung zwischen dieser Elektrode und der anderen Elektrode angelegt wird, wird die Spannung auch an einen Abstand zwischen den Elektroden angelegt, das heißt an Luftschichten (siehe 4A und 4B in 1 und 24A und 24B in 6) oder mit einem niedrig dielektrischen Material gefüllte Schichten (siehe 31A und 31B in 11). Es wird in Betracht gezogen, dass die dielektrische Konstante in dem Bereich, in dem sich die Modulationswelle folglich ausbreitet gänzlich abnimmt und die Geschwindigkeit der Modulationswelle ansteigt.
Es wird klargestellt, dass die Oberfläche der Elektroden aufgrund der Annahme einer Struktur, in der ein Teil einer Elektrode an zumindest einer Seite vorragt, ansteigt, so dass der Elektrodenleistungsverlust weitgehend reduziert werden kann.
Das Substrat besteht vorzugsweise aus zumindest einer Art von Einkristallen, die aus der aus Lithiumniobat-Einkristall, Lithiumtantalat-Einkristall, Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Misch-Einkristall, Kaliumlithiumniobat-Einkristall, Kaliumlithiumniobat-Kaliumlithiumtantalat-Misch-Einkristall, Kalium-Titanylphosphat-Einkristall und Galliumarsen-Einkristall bestehenden Gruppe ausgewählt sind. Das Substrat besteht besonders bevorzugt aus einer oder mehreren Arten von aus Lithiumniobat-Einkristall, Lithiumtantalat-Einkristall und Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Misch-Einkristall ausgewählten Einkristallen.
Außerdem kann das Substrat in Z-, X- oder Y-Richtung ausgerichtet sein. Ein herkömmliches Verfahren zur Ausbildung des optischen Wellenleiters gemäß der Diffusion von Titan und zur Ausbildung der Elektrode auf dem optischen Wellenleiter kann wie bekannt eingesetzt werden.
In der vorliegenden Erfindung ist die erste Elektrode vorzugsweise mit einem weiteren, an der anderen Seite vorstehenden Abschnitt bereitgestellt.
In der vorliegenden Erfindung ist die zweite Elektrode im Vergleich mit der ersten Elektrode über einem vertieften Abschnitt des Substrats auf einer niedrigeren Ebene des Substrats angeordnet, und der optische Wellenleiter ist in einem höheren Bereich zwischen den gegenüberliegenden Elektroden angeordnet. Dadurch kann die Signalspannung einfach und einheitlich an den gesamten optischen Wellenleiter zwischen den Elektroden angelegt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat mit einem Rippenabschnitt bereitgestellt, ein optischer Wellenleiter ist in dem Rippenabschnitt bereitgestellt, wobei die erste Elektrode auf dem optischen Wellenleiter ausgebildet ist, die zweiten Elektroden sind in einander gegenüberliegenden Vertiefungen ausgebildet, die an den einander gegenüberliegenden Seiten des Rippenabschnitts vorhanden sind, und die einander gegenüberliegenden vorstehenden Abschnitte der ersten Elektrode sind den zweiten Elektroden gegenüberliegend angeordnet. Durch diese Anordnung kann die Frequenz, mit der die Geschwindigkeit des Lichts der der Modulationswelle angepasst wird, weiter gesteigert werden.
In dieser Ausführungsform können die zweiten Elektroden unmittelbar auf der Oberfläche des Substrats in zwei Vertiefungen bereitgestellt sein. Alternativ dazu wird eine Unterschicht aus einem Material mit einer niedrigeren dielektrischen Konstante als das Substratmaterial in jeder Vertiefung bereitgestellt und die zweite Elektrode wird auf dieser Unterschicht ausgebildet. Dadurch kann die Frequenz, mit der die Geschwindigkeit des Lichts der der Modulationswelle angepasst wird, gesteigert werden.
Andererseits beträgt der Wert L/W, der durch das Dividieren der Breite L der oben genannten ersten Elektrode durch die Breite W des optischen Wellenleiters erhalten wird, vorzugsweise nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 50.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Lichtmodulators ist nicht speziell beschränkt. Ein bekanntes Verfahren kann eingesetzt werden, um den optischen Wellenleiter oder die Elektroden auf der Oberfläche des Substrats bereitzustellen. Wenngleich die Form des Substrats nicht speziell beschränkt ist, ist ein Substrat mit einer flachen, planaren Form mit zwei Hauptebenen besonders zu bevorzugen.
Ein herkömmliches Ätzverfahren kann zur Bereitstellung des Rippenabschnitts auf dem Substrat eingesetzt werden, wobei jedoch auch folgendes Verfahren verwendet werden kann.
(1) Verwendung von Ablationsbearbeitung
Verschiedene Laser können für diese Bearbeitung eingesetzt werden, wobei ein Excimer-Laser besonders zu bevorzugen ist. Die Ablationsbearbeitung ist ein Bearbeitungsverfahren, durch das eine gewünschte Form erhalten werden kann, indem das zu bearbeitende Material mit einem Licht mit hoher Energie, wie z.B. einem Excimer-Laserstrahl, bestrahlt wird, wodurch der bestrahlte Abschnitt unmittelbar zersetzt und verdampft wird. Bei dem Excimer-Laser handelt es sich um einen Laserstrahl im ultravioletten Bereich mit einer Wellenlänge von 150 bis 300 nm und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge in Abhängigkeit von einem einzuschließenden Gas ausgewählt werden kann.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben entdeckt, dass der Rippenabschnitt, wenn er auf einem ferroelektrischen Substrat mittels Ablationsbearbeitung mit einem Excimer-Laser ausgebildet wird, mit extrem hoher Produktivität ausgebildet werden kann. Zusätzlich dazu weist der resultierende Rippenabschnitt eine deutliche Stabilität in Bezug auf optische Eigenschaften und Form auf.
Es wird angenommen, dass die Stabilität der optischen Eigenschaften darauf zurückzuführen ist, dass das Material des Substrats in einem Abschnitt, der mit dem Licht bestrahlt wird, durch die Ablationsbearbeitung unmittelbar zersetzt und verdampft wird, wobei der Randbereich, den das Licht nicht direkt getroffen hat, durch Hitze oder Druck fast nicht beeinflusst wird, wodurch in der Folge auf einem dünnen Abschnitt keine durch die Bearbeitung denaturierte Schicht entsteht.
Es ist erforderlich, dass Licht mit einer Wellenlänge, die geringer ist als die eines Absorptionsendes des Substratmaterials, als Lichtquelle für die Ablationsbearbeitung herangezogen wird. Jedoch wird gewöhnlicherweise Licht mit einer Wellenlänge von nicht mehr als 350 nm vorzugsweise eingesetzt.
Die Wellenlänge des Lichts für die Ablationsbearbeitung beträgt noch bevorzugter nicht mehr als 300 nm. Als eigentliche Lichtquelle wird in der Praxis die vierte Har monische von YAG (ein Laserstrahl mit 266 nm), eine Excimer-Lampe oder dergleichen neben der Excimer-Laser-Lichtquelle eingesetzt.
Eine so genannte Bestrahlungsvorrichtung des simultanen Typs und eine so genannte Bestrahlungsvorrichtung des Multireflexionstyps werden als Lichtbestrahlungsquellen für die Ablationsbearbeitung eingesetzt, wobei eine beliebige der beiden eingesetzt werden kann.
(2) Der Rippenabschnitt an der vorderen Oberfläche des Substrats kann auch durch hochpräzise mechanische Bearbeitung ausgebildet werden. In diesem Fall ist eine Schneidetechnik besonders zu bevorzugen. Als mechanische Bearbeitungsvorrichtung wird vorzugsweise eine Scheibenschnittvorrichtung mit verbesserter Positionsgenauigkeit in Z-Achsen-Richtung eingesetzt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen detaillierter beschrieben.
1 ist eine Querschnittsansicht eines Lichtmodulators 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 ist eine perspektivische Ansicht des Lichtmodulators 1 aus 1. Der Lichtmodulator umfasst ein Substrat 2, das die Form eines flachen Platte aufweist, einen optischen Wellenleiter 7, der auf einer Seite der vorderen Oberfläche 2a des Substrats 2 ausgebildet ist, und eine Elektrode 8 sowie die anderen Elektroden 5A und 5B zum Anlegen einer Signalspannung an das sich durch den optischen Wellenleiter 7 ausbreitende Licht.
Das Substrat 2 umfasst einen Rippenabschnitt 6, und der optische Wellenleiter 7 ist in einem oberen Abschnitt des Rippenabschnitts 6 bereitgestellt. Ein Basisabschnitt 6a des Rippenabschnitts 6 ist unter dem optischen Wellenleiter 7 bereitgestellt. Die Bezugszahl 6b bezeichnet eine Seitenoberfläche des Rippenabschnitts 6, und die Bezugszahl 6c bezeichnet die Oberfläche des Rippenabschnitts 6. Eine erste Vertiefung 3A ist auf einer Seite des Rippenabschnitts 6 bereitgestellt, und eine zweite Vertiefung 3B ist auf der anderen Seite des Rippenabschnitts 6 bereitgestellt. Eine erste Elektrode 8 ist auf der Oberfläche 6c des Rippenabschnitts 6 bereitgestellt, und zweite Elektroden 5A und 5B sind in der ersten bzw. zweiten Vertiefung 3A bzw. 3B bereitgestellt. Die zweiten Elektroden 5A und 5B sind demnach verglichen mit der ersten Elektrode 8 an einer Innenseite des Substrats 2 ausgebildet, und der optische Wellenleiter 7 ist in einem Bereich zwischen der ersten Elektrode 8 und den zweiten Elektroden angeordnet.
Die erste Elektrode 8 umfasst einen Hauptabschnitt 8c, der die vordere Oberfläche des optischen Wellenleiters 7 bedeckt, einen ersten vorstehenden Abschnitt 8a, der von dem Hauptabschnitt 8c auf einer Seite vorsteht, und einen zweiten vorstehenden Abschnitt 8b, der von dem Hauptabschnitt 8c auf die andere Seite vorsteht. In der Folge liegen der erste und der zweite vorstehende Abschnitt 8a und 8b den zweiten Elektroden 5A bzw. 5B gegenüber.
Ein Oszillator 9 ist mit einem Ende jeder Elektrode über einen Kontakt 10 verbunden, während ein Abschlusswiderstand 12 mit dem anderen Ende jeder Elektrode über einen Kontakt 11 verbunden ist. Die Bezugszahl 13 bezeichnet einen Lichtstrahl.
Der in 1 und 2 dargestellte Lichtmodulator 1 wurde erzeugt und Experimenten und Simulationen unterzogen. Die Ergebnisse sind in 3, 4 und 5 dargestellt.
Ein Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Misch-Einkristall-Film wurde in einer Dicke von 10 μm auf einem Substrat aus einem in Z-cut geschnittenen Wafer (LiNbO₃-Einkristall, 1 mm dick) durch ein Flüssigphasen-Epitaxieverfahren ausgebildet, und auf dem resultierenden Film wurde ein 10-μm-dicker Lithiumniobat-Film ausgebildet. Dann wurde der Film einer Ablationsbearbeitung unter Einsatz eines KrF-Excimer-Lasers (Wellenlänge: 248 nm) als Lichtquelle unterzogen. Ein optisches System wurde angepasst, um eine Bestrahlungsenergiedichte von 6 J/cm² zu liefern, während die Impulsbreite bei 15 ns, die Impulsfrequenz bei 600 Hz und die Abtastgeschwindigkeit bei 1,2 mm festgelegt wurde. Unter den oben genannten Bedingungen wurde ein Rippenabschnitt 6 des Mach-Zehnder-Typs ausgebildet. Die Querschnittsform des Rippenab schnitts 6 war trapezförmig, und der Neigungswinkel einer Seitenoberfläche 6b des Rippenabschnitts 6 zu einer Hauptebene 2a betrug 90°.
Goldelektroden 5A und 5B wurden mittels Dampfabscheidung in einer Dicke von 1 μm jeweils in den Vertiefungen 3A und 3B ausgebildet. Weiters wurde eine weitere Goldelektrode 8 in einer Dicke von 1 μm mittels Photolithographie auf einem Glassubstrat (nicht dargestellt) ausgebildet. Das Glassubstrat und die Elektrode 8 wurden an der oberen Fläche 6c des Rippenabschnitts 6 angebracht. Der Abstand "d" zwischen der ersten und den zweiten Elektroden wurde mit 5 μm festgelegt.
Bei dem Lichtmodulator 1 wurde die Breite W des optischen Wellenleiters 7 und die Breite L der Elektrode 8, wie in 3, 4 und 5 dargestellt, variiert, während "d" mit 5 μm festgelegt wurde, und der effektive Brechungsindex nm der Modulationswelle, die Breite fm des Modulationsbands und der Korrekturkoeffizient T des elektrischen Felds wurden in Bezug auf diese durch Simulation bestimmt. Die Ergebnisse sind in 3, 4 und 5 angeführt.
Wie in 3 gezeigt, wurde geklärt, dass L im Vergleich zu W ansteigt und der effektive Brechungsindex nm der Modulationswelle deutlich sinkt. Diese Funktion und diese Wirkung sind am deutlichsten, wenn L nicht weniger als doppelt so groß wie W festgelegt wird. Wenngleich der effektive Brechungsindex des Lichts in dem Lithiumniobat-Einkristall etwa 2,15 beträgt, wurde geklärt, dass die Geschwindigkeit besonders günstig angepasst werden kann, wenn L nicht weniger als 3,5-mal, aber nicht mehr als 4,5-mal größer ist als W. Der effektive Brechungsindex der Modulationswelle kann beispielsweise an den des Lichts angepasst werden, indem L 3,9-mal größer als W und d/w mit 0,5 festgelegt wird.
4 ist ein Graph, der die Veränderungen der Breite fm des Modulationsbands zeigt, wenn d/w variiert wurde, wobei L/W 3,9 betrug. Es wurde geklärt, dass die Breite fm des Modulationsbands deutlich gesteigert wurde, indem d/W mit 0,4 bis 0,6 festgelegt wurde. Die Breite fm des Modulationsbands erreichte ihr Maximum, wenn d/w mit 0,5 festgelegt wurde.
5 ist ein Graph, der die Veränderungen des effektiven Brechungsindex nm der Modulationswelle und des Korrekturkoeffizienten des elektrischen Felds T zeigt, wenn d/w variiert wurde, während L/W mit 3,9 festgelegt wurde und die Frequenz λ des Lichts 1,5 μm betrug. Gemäß diesem Graph wird der Korrekturkoeffizient des elektrischen Felds T auf nicht weniger als 1,0 gesteigert, indem d/W mit 0,3 bis 0,7 festgelegt wird, und dieser Korrekturkoeffizient des elektrischen Felds T wird noch deutlicher gesteigert, wenn d/W mit 0,4 bis 0,6 festgelegt wird.
In der vorliegenden Erfindung kann eine Unterschicht aus einem Material mit einer niedrigeren dielektrischen Konstante als das Substratmaterial in jeder der Vertiefungen ausgebildet sein, und eine zweite Elektrode kann auf der Unterschicht bereitgestellt werden. Als Material für die Unterschicht ist ein organisches Harz, wie z.B. Polyimid, Teflon, Silicon, Epoxy- oder Urethanharz, besonders zu bevorzugen, da diese organischen Harze verfestigt werden, nachdem sie in flüssigem Zustand in die Vertiefung gefüllt wurden.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Lichtmodulators 21 einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 7 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lichtmodulators 21 aus 6. Der Lichtmodulator 21 umfasst ein Substrat 22, das die Form einer flachen Platte aufweist, einen optischen Wellenleiter 7, der auf einer Seite der vorderen Oberfläche des Substrats 22 ausgebildet ist, sowie eine erste Elektrode 8 und zweite Elektroden 5A, 5B zum Anlegen einer Signalspannung an das sich durch den optischen Wellenleiter 7 ausbreitende Licht.
Das Substrat 22 umfasst einen Rippenabschnitt 26, und der optische Wellenleiter 7 ist in einem oberen Abschnitt des Rippenabschnitts 26 bereitgestellt. Ein Basisabschnitt 26a des Rippenabschnitts 6 ist unter dem optischen Wellenleiter 7 bereitgestellt. Die Bezugszahl 26b bezeichnet eine Seitenoberfläche des Rippenabschnitts 26, und die Bezugszahl 26c bezeichnet die Oberfläche des Rippenabschnitts 26. Eine Vertiefung 23A ist auf einer Seite des Rippenabschnitts 6 bereitgestellt, und eine weitere Vertiefung 238 ist auf der anderen Seite des Rippenabschnitts 6 bereitgestellt. Eine erste Elektrode 8 ist auf der Oberfläche 26c des Rippenabschnitts 26 bereitgestellt. Unterschichten 25A und 258 sind jeweils in den Vertiefungen 23A und 23B bereitgestellt, und zweite Elektroden 5A und 58 sind auf der Unterschicht 25A bzw. 25B bereitgestellt.
Die erste Elektrode 8 umfasst einen Hauptabschnitt 8c, der die vordere Oberfläche des optischen Wellenleiters 7 abdeckt, einen ersten vorstehenden Abschnitt 8a, der von dem Hauptabschnitt 8c auf einer Seite vorsteht, und einen zweiten vorstehenden Abschnitt 8b, der von dem Hauptabschnitt 8c auf die andere Seite vorsteht. In der Folge liegen der erste und der zweite vorstehende Abschnitt 8a und 8b den zweiten Elektroden 5A bzw. 58 gegenüber.
Ein Oszillator 9 ist, wie in 7 dargestellt, mit einem Ende jeder Elektrode über einen Kontakt 10 verbunden, während ein Abschlusswiderstand 12 mit dem anderen Ende jeder Elektrode über einen Kontakt 11 verbunden ist. Die Bezugszahl 13 bezeichnet einen Lichtstrahl.
Der in 6 und 7 dargestellte Lichtmodulator 21 wurde erzeugt und Experimenten und Simulationen unterzogen. Die Ergebnisse sind in 8, 9 und 10 dargestellt.
Ein Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Misch-Einkristall-Film wurde in einer Dicke von 10 μm auf einem Substrat aus einem in Z-cut geschnittenen Wafer (LiNbO₃-Einkristall, 1 mm dick) durch ein Flüssigphasen-Epitaxieverfahren ausgebildet, und auf dem resultierenden Film wurde ein 10-μm-dicker Lithiumniobat-Film ausgebildet. Dann wurde ein gerader, gerippter, optischer Wellenleiter durch Schneiden mit einem Mikroschleifer ausgebildet. Der Rippenwinkel betrug etwa 90°.
Ein Polyimidfilm (mit einer relativen dielektrischen Konstante von 3,3) wurde als Unterschicht 25A, 25B in jeder der Vertiefungen 23A und 23B in einer Dicke von 4 μm ausgebildet. Goldelektroden 5A und 5B wurden mittels Dampfabscheidung in einer Dicke von 1 μm auf den Unterschichten 25A bzw. 25B ausgebildet. Außerdem wurde eine weitere Goldelektrode auf einem Glassubstrat (nicht dargestellt) mittels Photolithographie in einer Dicke von 1 μm ausgebildet. Das Glassubstrat und die Elektrode 8 wurden an der oberen Fläche 26c des Rippenabschnitts 26 angebracht. Der Abstand "d" zwischen der ersten Elektrode 8 und den zweiten Elektroden 5A, 5B wurde mit 5 μm festgelegt.
Ein Lichtmodulator des Macht-Zehnder-Typs wurde fertiggestellt, indem ein Element mit Y-förmigem optischem Wellenleiter auf einem Substrat in einer Ebene mit dem linearen optischen Wellenleiter des Rippentyps befestigt wurde.
Bei dem Lichtmodulator 21 wurde die Breite W des optischen Wellenleiters 7 und die Breite L der Elektrode 8, wie in 8, 9 und 10 dargestellt, variiert, während "d" mit 5 μm festgelegt wurde, und der effektive Brechungsindex nm der Modulationswelle, die Breite fm des Modulationsbands und der Korrekturkoeffizient T des elektrischen Felds wurden in Bezug auf diese durch Simulation bestimmt. Die Ergebnisse sind in 8, 9 und 10 angeführt.
Wie in 8 gezeigt, wurde geklärt, dass L im Vergleich zu W ansteigt und der effektive Brechungsindex nm der Modulationswelle deutlich sinkt. Diese Funktion und diese Wirkung sind am deutlichsten, wenn L nicht weniger als 1,5-mal so groß wie W festgelegt wird.
9 ist ein Graph, der die Veränderungen der Breite fm des Modulationsbands zeigt, wenn d/w variiert wurde, wobei L/W 3,0 betrug. Es wurde geklärt, dass die Breite fm des Modulationsbands deutlich gesteigert wurde, indem d/W mit 0,4 bis 0,6 festgelegt wurde. Die Breite fm des Modulationsbands erreichte ihr Maximum, wenn d/w mit 0,5 festgelegt wurde.
10 ist ein Graph, der die Veränderungen des effektiven Brechungsindex nm der Modulationswelle und des Korrekturkoeffizienten des elektrischen Felds T zeigt, wenn d/w variiert wurde, während L/W mit 3,0 festgelegt wurde und die Frequenz λ des Lichts 1,5 μm betrug. Gemäß diesem Graph wird der Korrekturkoeffizient des elektrischen Felds T auf nicht weniger als 0,6 gesteigert, indem d/W mit 0,3 bis 0,7 festgelegt wird, und dieser Korrekturkoeffizient des elektrischen Felds T wird noch deutlicher gesteigert, wenn d/W mit 0,4 bis 0,6 festgelegt wird.
11 ist eine Querschnittsansicht eines Lichtmodulators 32, der nicht Teil des Umfangs der vorliegenden Erfindung ist. Dieselben Komponenten werden mit denselben Bezugszahlen bezeichnet wie in 1 und deren Erläuterung wird nicht wiederholt.
In diesem Modulator sind die zweiten Elektroden auf einem Substrat in den Vertiefungen ausgebildet, und eine Füllstoffschicht aus einem Material mit einer niedrigeren dielektrischen Konstante als das Substratmaterial ist auf jeder der zweiten Elektroden bereitgestellt. Das bedeutet, dass die zweite Elektrode 5A auf dem Substrat in der Vertiefung 3A bereitgestellt ist, und die andere zweite Elektrode 5B auf dem Substrat in der anderen Vertiefung 3B bereitgestellt ist. Die Füllstoffschichten 31A und 31B bestehen aus demselben Material wie die oben genannte Unterschicht und sind auf den Elektroden 5A und 5B bereitgestellt.
Der in 11 dargestellt Lichtmodulator 32 wurde erzeugt und dieser wurde Simulationstests unterzogen. Die Ergebnisse sind in 12 angeführt.
Ein Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Misch-Einkristall-Film wurde in einer Dicke von 10 μm auf einem Substrat aus einem in Z-cut geschnittenen Wafer (LiNbO₃-Einkristall, 1 mm dick) durch ein Flüssigphasen-Epitaxieverfahren ausgebildet, und auf dem resultierenden Film wurde ein 10-μm-dicker Lithiumniobat-Film ausgebildet. Dann wurde der Film einer Ablationsbearbeitung unter Einsatz eines KrF-Excimer-Lasers (Wellenlänge: 248 nm) als Lichtquelle unterzogen. Ein optisches System wurde angepasst, um eine Bestrahlungsenergiedichte von 6 J/cm² zu liefern, während die Impulsbreite bei 15 ns, die Impulsfrequenz bei 600 Hz und die Abtastgeschwindigkeit bei 1,2 mm festgelegt wurde. Unter den oben genannten Bedingungen wurde ein Rippenabschnitt 6 des Mach-Zehnder-Typs ausgebildet. Die Querschnittsform des Rippenabschnitts 6 war trapezförmig, und der Neigungswinkel einer Seitenoberfläche 6b des Rippenabschnitts 6 zu einer Hauptebene 2a betrug 90°.
Goldelektroden 5A und 5B wurden mittels Dampfabscheidung in einer Dicke von 1 μm jeweils in den Vertiefungen 3A und 3B ausgebildet. Dann wurden Füllstoffschichten 31A und 31B jeweils aus einem Polyimidfilm in den Vertiefungen 3A und 3B ausgebildet. Die Oberfläche jeder Füllstoffschicht wurde auf derselben Ebene wie die des optischen Wellenleiters 7 angeordnet. Eine Goldelektrode 8 wurde in einer Dicke von 1 μm mittels Photolithographie auf der Oberfläche des optischen Wellenleiters 7 ausgebildet. Der Abstand zwischen der ersten und den zweiten Elektroden wurde mit 5 μm festgelegt.
Bei dem Lichtmodulator 32 wurde die Breite W des optischen Wellenleiters 7 und die Breite L der Elektrode 8, wie in 12 dargestellt, variiert, während "d" mit 5 μm festgelegt wurde, und der effektive Brechungsindex nm der Modulationswelle wurde in Bezug auf diese durch Simulation bestimmt. Die Ergebnisse sind in 12 angeführt.
Wie in 12 gezeigt, wurde geklärt, dass L im Vergleich zu W ansteigt und der effektive Brechungsindex nm der Modulationswelle deutlich sinkt. Diese Funktion und diese Wirkung sind am deutlichsten, wenn L nicht weniger als 3-mal so groß wie W festgelegt wird. Wenngleich der effektive Brechungsindex des Lichts in dem Lithiumniobat-Einkristall etwa 2,15 beträgt, wurde geklärt, dass die Geschwindigkeit besonders günstig angepasst werden kann, wenn L nicht weniger als 7-mal, aber nicht mehr als 30-mal größer ist als W.
Weiters bedeutet das – da L/W, das die Anpassung der Geschwindigkeit ermöglicht, auf diese Weise durch die Bereitstellung der Füllstoffschichten erhöht werden kann – dass die Breite L der Elektroden ansteigt. In diesem Modulator kann der Elektrodenleistungsverlust demnach gleichzeitig mit der Umsetzung einer Geschwindigkeitsanpassung weiter reduziert werden.
Wie oben angesprochen kann gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Lichtmodulator zum Modulieren des Lichts durch Anlegen einer Signalspannung an das Licht die Geschwindigkeit des Lichts an die der Modulationswelle im Vergleich zu einem herkömmlichen Lichtmodulator bei einer höheren Frequenz angepasst werden. Dadurch kann die vorliegende Erfindung einen Lichtmodulator mit einer neuen Struktur bereitstellen, der bei einer Frequenz von mehr als mehreren zehn GHz betrieben werden kann.

Claims

Lichtmodulator vom Wanderwellentyp zum Modulieren von Licht durch Anlegen einer Signalspannung, wobei der Lichtmodulator Folgendes umfasst: ein Substrat (2, 22) aus einem Lithiumniobat-Einkristall, einem Lithiumtantalat-Einkristall, einem Lithiumniobat-Lithiumtantalat-Misch-Einkristall, einem Kaliumlithiumniobat-Einkristall, einem Kaliumlithiumniobat-Kaliumlithiumtantalat-Misch-Einkristall oder einem Kalium-Titanylphosphat-Einkristall und einen optischen Wellenleiter (7), der an einem ersten Abschnitt einer oberen Oberfläche des Substrats ausgebildet ist und sich in einer Längsrichtung entlang des Substrats erstreckt, wobei an diesem eine erste Elektrode (8) und zumindest eine zweite Elektrode (5A, 5B) zum Anlegen der Signalspannung an das sich durch den optischen Wellenleiter ausbreitende Licht vorliegen, wobei die erste Elektrode (8) auf dem ersten Abschnitt der oberen Oberfläche des Substrats ausgebildet ist und einen Hauptabschnitt (8c) umfasst, der den optischen Wellenleiter (7) und einen ersten vorspringenden Abschnitt (8a, 8b) abdeckt, der sich seitlich vom Hauptabschnitt (8c) über eine Längsseite des optischen Wellenleiters (7) hinausgehend erstreckt – in dem zur Längsrichtung des Wellenleiters quer verlaufenden Querschnitt gesehen, wobei die zweite Elektrode (5A, 5B) oberhalb eines zweiten Abschnitts der oberen Oberfläche des Substrats (8) angeordnet ist, welche in Bezug zum ersten Abschnitt der oberen Oberfläche des Substrats vertieft ist, so dass die zweite Elektrode (5A, 5B) darunter angeordnet ist und der vorspringende Abschnitt (8a, 8b) der ersten Elektrode (8) über diese vorsteht, worin der optische Wellenleiter, im Querschnitt gesehen, in einer Höhe angeordnet ist, die unterhalb der Höhe der ersten Elektrode (8) und über der Höhe der oberen Oberfläche der zweiten Elektrode (5A, 5B) liegt, welche dem vorspringenden Abschnitt (8a, 8b) der ersten Elektrode (8) gegenüberliegt, der Wert des Verhältnisses L/W, wobei L die Breite der ersten Elektrode, im Querschnitt gesehen, und W die Breite des optischen Wellenleiters, im Querschnitt gesehen, ist, nicht weniger als 1,5 und nicht mehr als 50 beträgt, der Wert des Verhältnisses d/W, wobei d der Abstand zwischen der unteren Oberfläche des vorspringenden Abschnitts der ersten Elektrode und der oberen Oberfläche der zweiten Elektrode ist, im Querschnitt gesehen, und W die Breite des optischen Wellenleiters, im Querschnitt gesehen, ist, im Bereich von 0,3 bis 0,7 ist, und der Abstand zwischen dem vorspringenden Abschnitt (8a, 8b) der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode (5A, 5B) eine Luftschicht ist.
Lichtmodulator nach Anspruch 1, worin das Substrat einen Rippenabschnitt (6a) umfasst, der optische Wellenleiter (7) in dem Rippenabschnitt bereitgestellt ist und die erste Elektrode ferner einen zweiten vorstehenden Abschnitt (8a, 8b) umfasst, der vom Hauptabschnitt (8c) über die andere Längsseite des optischen Wellenleiters (7) hinaus vorsteht.
Lichtmodulator nach Anspruch 2, worin Vertiefungen (4A, 4B, 24A, 24B) jeweils an der oberen Oberfläche des Substrats an gegenüberliegenden Seiten des Rippenabschnitts bereitgestellt sind, die zweiten Elektroden (5A, 5B) jeweils über den Bodenflächen der Vertiefungen bereitgestellt sind, der erste und der zweite vorspringende Abschnitt (8a, 8b) der ersten Elektrode darüber angeordnet sind und über die entsprechenden zweiten Elektroden (5A, 5B) vorstehen und die Luftschicht zwischen den entsprechenden vorspringenden Abschnitten (8a, 8b) und den jeweiligen zweiten Elektroden (5A, 5B) vorliegt.
Lichtmodulator nach Anspruch 3, worin eine Unterschicht (25A, 25B) aus einem Material mit einer dielektrischen Konstante, die niedriger als jene des das Substrat (22) bildenden Materials ist, in jeder der Vertiefungen (24A, 24B) bereitgestellt ist und die zweiten Elektroden (5A, 5B) auf den Unterschichten bereitgestellt sind.
Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin d/W im Bereich von 0,4 bis 0,6 ist.
Optisches Datenkommunikationssystem, umfassend zumindest einen Lichtmodulator nach einem der vorangegangenen Ansprüche.