JP2009145816A

JP2009145816A - 光変調器

Info

Publication number: JP2009145816A
Application number: JP2007325744A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Iwata; 雄一岩田; Osamu Mitomi; 修三冨; Jungo Kondo; 順悟近藤; Kenji Aoki; 謙治青木
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2009-07-02
Also published as: US20090154867A1; US7809218B2; EP2073053A1

Abstract

【課題】光変調器において、電極のパターニング精度を向上させて歩留りを向上させるのと共に、電極を厚くして電極損失を減少させることである。
【解決手段】光変調器は、電気光学材料からなる基板５、基板５上に設けられた変調用電極２Ａ、３Ａ、２Ｂ、および基板５に設けられた光導波路１ｃを備えている。変調用電極に変調電圧を印加することによって、光導波路１ｃを伝搬する光を変調する。変調用電極の少なくとも一部が、基板５上に設けられている基部２ａ、３ａと、この基部よりも幅の狭い突出部２ｂ、３ｂとを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光変調器に関するものである。

マルチメディアの発展に伴い、通信のブロードバンド化の需要が高まり、１0Gｂ/sを超える光伝送システムが実用化され、さらに高速化が期待されている。１0Gｂ/s以上の電気信号（マイクロ波信号）を光に変調するデバイスとしてＬＮ光変調器が使用されている。

光導波路基板を薄くする構造において速度整合条件を満足するためには、光導波路部周辺の基板厚みを例えば１０μｍ程度にする必要がある。この際、光モードフィールドパターンの偏平化を防止し、基板薄型および溝加工による表面ラフネス、ダメージの影響で発生する光の伝搬損失を抑制するために２段裏溝構造を特許文献１で出願した。
特開２００２−１６９１３３号公報

また、特許文献２においては、平板状の保持基体と光導波路基板とを接着した光導波路デバイスを開示した。
WO 03/ 042749

しかし、電極の特性インピーダンスの整合、速度整合、駆動電圧特性、電極損失をすべて満足するような設計を行うことは、一般に困難であった。例えば、所定の速度整合条件を満足するためには、一般に電極厚さを大きくする必要がある。しかし、電極厚さが大きいと、レジスト厚を厚くする必要があり、パターニング精度が落ちる。すると、電極の位置が変化するので、駆動電圧、特性インピーダンスが変化し、また速度整合条件も変化するために、仕様を満足しない光変調器が多く発生し、製造歩留りが低下する。

本発明の課題は、光変調器において、電極のパターニング精度を向上させて歩留りを向上させるのと共に、電極を厚くして電極損失を減少させることである。

本発明は、電気光学材料からなる基板、
基板上に設けられた変調用電極、および
基板に設けられた光導波路
を備えており、変調用電極に変調電圧を印加することによって、光導波路を伝搬する光を変調する光変調器であって、
変調用電極の少なくとも一部が、基板上に設けられている基部と、この基部よりも幅の狭い突出部とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、光変調器の変調用電極の少なくとも一部が、基板上に設けられている基部と、この基部よりも幅の狭い突出部とを備えている。この結果、変調用電極のパターニング精度は、相対的に幅広の基部の厚さによって定まる。電極全体の厚さが一定であるとすると、電極幅が一定の場合には、電極厚さが大きいとパターニング精度が大きく低下する。しかし、本発明では、基部より相対的に小さい電極幅である突出部を設けることにより、基部の厚さを薄くでき、従ってパターニング精度は高くすることができる。この一方、突出部を設けることによって、電極損失はほとんど低下しないことを見いだし、本発明に到達した。

本発明の光変調器は、光の特性に変調を加えるものであれば限定されず、光強度変調器、光位相変調器であってよい。光強度変調器は、マッハツェンダー型光導波路を利用した光振幅変調器であってよい。光位相変調器とは、入射光に対して位相変調を加え、出射光から位相変調信号を取り出すものを意味する。その種類は特に限定されず、DQPSK、SSB等の各種位相変調方式を利用できる。

好適な実施形態においては、光位相変調器が、複数の光位相変調部を備えている。この実施形態においては、好ましくは、一つの光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極が、隣接する光位相変調部の第一の接地電極または第二の接地電極と共通接地電極を構成している。このような共通接地電極を形成することによって、光変調部に必要な寸法を小さくし、チップの小型化に資することができる。

複数の位相変調部を用いた場合の位相変調方式は特に限定されず、ＤＱＰＳＫ(Differential Quadrature Phase Shift Keying)、SSB(Single Side Band amplitude modulation)、DPSK「Differential
Phase Shift Keying：差動位相偏移変調」など、種々の位相変調方式を採用できる。各変調方式それ自体は公知である。

光導波路基板を構成する電気光学材料は特に限定されないが、強誘電性の電気光学材料、好ましくは単結晶からなる。こうした結晶は、光の変調が可能であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶などを例示することができる。

基板上に設けられた変調用電極の種類は、光を変調可能である限り、特に限定されない。好適な実施形態においては、変調用電極は、信号電極および接地電極である。

また、本発明は、信号電極、接地電極のうち相互作用部に適用することができる。相互作用部とは、光導波路を伝搬する光に対して変調作用を直接及ぼす部分である。この場合には、信号電極の相互作用部に適用することが特に有効である。

また、本発明を、信号電極、接地電極の各フィードスルー部に適用することができる。この場合には、フィードスルー部のパターニング精度を向上させるのと共に、フィードスルー部における電極損失を同時に低減することが可能である。

制御用電極の材質は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。

光導波路は、基板に形成されており、好ましくは基板の表面側に形成されている。光導波路は、基板の表面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板の表面上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。電極は、基板表面側に設けられているが、基板表面に直接形成されていてよく、バッファ層の上に形成されていてよい。

光導波路基板と支持基体とを接着する接着剤の種類は特に限定されないが、厚さ３００μｍ以下が適当である。また、低誘電率層として用いる好適な低誘電体材料としては、高周波変調信号の伝搬損失を低減する観点から低誘電体損(低tanδ)を有する材料を用いることが望ましい。このような低誘電率、低誘電体損の材質としてはテフロン（登録商標）、アクリル系接着剤が例示できる。また、他の低誘電率材料としては、ガラス系接着剤、エポキシ系接着剤、半導体製造用層間絶縁体、ポリイミド樹脂を例示できる。

図１は、本発明に係る光変調器２０を概略的に示す平面図であり、図２は、図１の光変調器の部分拡大図であり、図３は、図１の光変調器の概略断面図である。

本例の光変調器２０は、ＤＱＰＳＫ型のものである。例えば平板形状の光導波路基板５の表面５ａ上に、二系統のマッハツェンダー型光導波路１Ａ、１Ｂが形成されている。各光導波路は、それぞれ、独立した光変調部を形成する。各光導波路は、入射部１ａ、分岐部１ｂ、１ｄ、相互作用部１ｃ、出射部１ｅを備えている。１ｆ、１ｇは湾曲点である。この結果、４列の相互作用部１ｃが基板５上に形成されている。

各相互作用部１ｃに対応して、それぞれ、一対の信号電極３Ａあるいは３Ｂと、接地電極２Ａあるいは２Ｂとが形成されている。隣接する信号電極と接地電極との間にそれぞれギャップ９が形成されており（図２、図３）、平面的に見て各ギャップ内に相互作用部１ｃが配置されている。Ａは相互作用部の範囲であり、Ｂはフィードスルー部である。

ここで、本例では、信号電極３Ａ（３Ｂ）が、相対的に幅広の基部３ａと、基部３ａ上に形成された相対的に幅の狭い突出部３ｂとを備えている。また、各接地電極２Ａ（２Ｂ）が、相対的に幅広の基部２ａと、基部２ａ上に形成された相対的に幅の狭い突出部２ｂとを備えている。この場合は、幅広の基部２ａ、３ａと、幅の狭い突出部２ｂ、３ｂとは、別個のマスクを用いて別々にパターニングする必要がある。

基部２ａ、３ａは、突出部２ｂ、３ｂを設けることにより薄くすることが可能であり、厚さが小さいことからパターニング時のレジストの厚さも小さくできる。レジスト厚が薄いと、パターニングの際の寸法精度は高くすることが可能であり、寸法の仕様からのズレを著しく小さくすることができる。

一方、突出部２ｂ、３ｂを設けることによって、電極損失を著しく低減することが可能である。また、信号電極、接地電極に本発明を適用した場合には、電極を厚くできることから速度整合、特性インピーダンスの点で有利であり、全体の幅が一定の場合に比べて速度整合、特性インピーダンスがほとんど劣化しないという顕著な作用効果を奏する。

支持基板８の表面には導電性膜（シールド膜）７が形成されている。光導波路基板５の底面は、接着層（低誘電率層）６を介して、支持基板８上の導電層７に対して接着されている。

基部２ａ、３ａの幅Ｗｇｎｄ、Ｗ（図３、図４参照）と、対応する突出部２ｂ、３ｂの幅Ｗｇｕｐ、Ｗｕｐとの差は、本発明の観点からは、２μｍ以上が好ましく、５μｍ以上が更に好ましい。また、基部２ａ、３ａの幅Ｗｇｎｄ、Ｗと、対応する突出部２ｂ、３ｂの幅Ｗｇｕｐ、Ｗｕｐとの差が小さくなり過ぎると、本発明による電極損失低減の作用効果が減少してくるので、この観点からは、３０μｍ以下が好ましく、２０μｍ以下が更に好ましい。

基部２ａ、３ａの厚さＴｍｌは、パターニング精度向上という観点からは、15μｍ以下が好ましく、10μｍ以下が更に好ましい。また、基部２ａ、３ａの厚さＴｍｌは、導電性の確保という観点からは、1μｍ以上が好ましい。

突出部２ｂ、３ｂの厚さＴｍｕｐは、電極損失の低減という観点からは、１０μｍ以上が好ましく、１５μｍ以上が更に好ましい。また、Ｔｍｕｐの上限も特に限定されず、必要とされる速度整合、特性インピーダンスによって決定されるが，例えば１００μｍ以下が好ましい場合がある。

光導波路が配置されているギャップの幅Ｇ１は特に限定されないが、５〜１００μｍが好ましく、１０〜２０μｍが更に好ましい。

光導波路基板５の厚さＴｓｕｂは特に限定されないが、速度整合の観点からは、２０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下が更に好ましい。また、基板強度の観点からは、１μｍ以上が好ましい。

以下、本発明の光変調器の好適な製造プロセスについて述べる。
図５（ａ）に示すように、導波路が形成された電気光学材料からなる基板材料１１を準備する。図５（ｂ）に示すように、基板１１の表面１１ａに金属下地膜１２を設ける。こうした金属下地膜の種類は、特に限定されないが、Ａｕ膜、下地をＣｒとし、その上にＡｕを積層した多層膜、下地をＴｉとし、その上にＡｕを積層した多層膜を例示できる。成膜方法は特に限定されず、スパッタリング、蒸着を例示できる。

次いで、図５（ｃ）に示すように、金属下地膜１２上に、フォトリソグラフィ法によってレジスト２３を形成する（図５（ｃ））。

次いで、図６（ａ）に示すように、レジスト２３の間に電極基部２ａ、３ａを形成する。この形成方法は限定はされないが、めっき法が好ましい。次いで、レジスト２３を剥離させ、図６（ｂ）の状態とする。次いで、図６（ｃ）に示すように、基部２ａ、３ａおよび金属膜１２上にレジスト１３を形成する。ここで、基部２ａ、３ａ上にも突出１３ａを形成することによって、レジスト1３の開口幅がレジスト２３の開口幅よりも狭くなるようにする。

次いで、レジストパターン１３の開口部に突出部２ｂ、３ｂを形成する（図７（ａ））。この形成方法は限定されないが、めっき法が好ましい。次いで、レジストパターン１３を除去し、図７（ｂ）に示すように、基部２ａ、３ａおよび突出部２ｂ、３ｂを形成する。不要な金属下地膜１２を除いて電極２、３を形成する。

レジストのパターニングは、通常の露光方法によって実施できる。露光時にはコンタクトアライナーを使用することができる。

レジストの材質は特に限定はされず、ノボラック樹脂系ポジ型レジスト、主鎖切断（崩壊）型ポジ型レジスト、環化ポリイソプレン−アジド化合物系ネガ型レジスト、フェノール樹脂−アジド化合物系ネガ型レジスト、溶解抑制型電子線ポジ型レジスト、架橋型電子線ネガレジストを例示できる。

（実施例１）
図５〜図７を参照しつつ説明した製造方法に従い、図１、２、３、４に示す光変調器２０を作製した。ただし、光導波路基板５および支持基板８の材質としては、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶を用いた。電極２、３は金によって形成した。低誘電率層兼接着層６は有機系接着剤によって形成した。

Ｔｉ拡散で導波路を形成したＬＮウェハ１１にＡｕ膜１２を蒸着した後、一般的なフォトリソグラフィで所望のレジスト２３を形成し、そこに電極基部２ａ、３ａを金めっきした。一旦レジスト２３を剥離してから、再度レジストを塗布し、２段目の電極のためレジスト１３をフォトリソグラフィで形成し、突出部２ｂ、３ｂを金めっきによって形成し、不要となった下地膜を除去した。この基板１１を有機系接着剤でベース基板８と接着した。さらに、この接着体をダイシングソーにて所望のサイズの素子形状に切り出し、各種の素子特性を測定した。

作製した光変調器の寸法を述べる。光導波路基板５の厚さＴｓｕｂは７μｍであり、ギャップ幅Ｇ１は１６．５μｍであり、ギャップ幅Ｇ２は９０μｍであり、接地電極幅Ｗｇｎｄは１００μｍであり、基部３ａの幅Ｗは６０μｍである。基部３ａの厚さＴｍｌは２、４、６、８μｍとし、突出部３ａの幅Ｗｕｐは、図８に示すように変更し、突出部３ｂの厚さＴｍｕｐは、図８に示すように変更した。

（実施例２）
実施例１と同様の光変調器について、突出部３ｂの厚さＴｍｕｐはそれぞれのＷｕｐに対し図８に示す速度整合条件を満たす厚みとした。基部３ａの厚さＴｍｌは２、４、６、８μｍとし、突出部３ｂの幅Ｗｕｐは、図９に示すように変更した。各変調器について、駆動電圧ＶπＬを測定した。この結果、突出部の幅Ｗｕｐが変化しても、駆動電圧への影響はほとんどないことを確認した。

（実施例３）
実施例１と同様の光変調器について、突出部３ｂの厚さＴｍｕｐはそれぞれのＷｕｐの対し図８に示す速度整合条件を満たす厚みとした。基部３ａの厚さＴｍｌは２、４、６、８μｍとし、突出部３ａの幅Ｗｕｐは、図１０に示すように変更した。各変調器について、１GHｚにおける電極損失（減衰定数）αを測定した。この結果、突出部の幅Ｗｕｐが６０μｍ（比較例）では、αは相対的には大きくなるが、突出部幅Ｗｕｐが小さくなるのにつれて，電極損失は低下することがわかった。

（実施例４）
実施例１において、Ｇ２は９０μｍとし，突出部３ｂの厚さＴｍｕｐは２４μｍとし、基部３ａの厚さＴｍｌは４μｍとし、突出部３ａの幅Ｗｕｐは４０μｍとした。ここで、突出部をパターニングする際、意図的に、突出部の中心位置を基部の中心位置から±１０μｍの範囲でずらした。この変位をｄｅｌＷｕｐとする（図４参照）。図１１に駆動電圧ＶπＬの測定結果を示す。

この結果、突出部の中心位置を基部の中心位置から±１０μｍの範囲でずらしても、駆動電圧ＶπＬにはほとんど変化はないことを確認した。これは、厚さの大きい突出部をパターニングする際に、パターニンク位置が変位しても、ＶπＬに対する影響が非常に少ないことを意味している。

（実施例５）
実施例１において、Ｇ２は９０μｍとし，突出部３ｂの厚さＴｍｕｐは２４μｍとし、基部３ａの厚さＴｍｌは４μｍとし、突出部３ａの幅Ｗｕｐは４０μｍとした。ここで、突出部をパターニングする際、意図的に、突出部の中心位置を基部の中心位置から±１０μｍの範囲でずらした。この変位をｄｅｌＷｕｐとする（図４参照）。図１２に特性インピーダンスＺの測定結果を示す。

この結果、突出部の中心位置を基部の中心位置から±１０μｍの範囲でずらしても、特性インピーダンスＺにはほとんど変化はないことを確認した。これは、厚さの大きい突出部をパターニングする際に、パターニング位置が変位しても、特性インピーダンスＺに対する影響が非常に少ないことを意味している。

（実施例６）
実施例１において、Ｇ２は９０μｍとし，突出部３ｂの厚さＴｍｕｐは２４μｍとし、基部３ａの厚さＴｍｌは４μｍとし、突出部３ａの幅Ｗｕｐは４０μｍとした。ここで、突出部をパターニングする際、意図的に、突出部の中心位置を基部の中心位置から±１０μｍの範囲でずらした。この変位をｄｅｌＷｕｐとする（図４参照）。図１３にマイクロ波屈折率ｎｍの測定結果を示す。

この結果、突出部の中心位置を基部の中心位置から±１０μｍの範囲でずらしても、マイクロ波屈折率にはほとんど変化はないことを確認した。これは、厚さの大きい突出部をパターニングする際に、パターニング位置が変位しても、マイクロ波屈折率ｎｍに対する影響が非常に少ないことを意味している。

（実施例７）
実施例１において、Ｇ２は９０μｍとし，突出部３ｂの厚さＴｍｕｐは２４μｍとし、基部３ａの厚さＴｍｌは４μｍとし、突出部３ａの幅Ｗｕｐは４０μｍとした。ここで、突出部をパターニングする際、意図的に、突出部の中心位置を基部の中心位置から±１０μｍの範囲でずらした。この変位をｄｅｌＷｕｐとする（図４参照）。図１４に電極損失（減衰定数）αの測定結果を示す。この結果、突出部の中心位置を基部の中心位置から±１０μｍの範囲でずらしても、電極損失にはほとんど変化はないことを確認した。これは、厚さの大きい突出部をパターニングする際に、パターニング位置が変位しても、電極損失αに対する影響が非常に少ないことを意味している。

以上の実施例では、電極として非対称コプレーナストリップ線路(A-CPS：Asymmetric Coplanar StripもしくはA-CPW：Asymmetric
Coplanar Waveguide）を用いた場合について述べた。同様に、例えばコプレーナ線路CPW（Coplanar Waveguide）を用いた変調電極に対しても、特性インピーダンスを適切な値になるようにして、速度整合条件を満たす基板厚や電極寸法を採用すれば本発明の効果を同様に実現できる。

以上の実施例では、光導波路基板５にＸカット−ニオブ酸リチウムを使用した場合を例示した。これ以外に例えば光導波路基板５にＺカット−ニオブ酸リチウムを使用した場合、通常、基板厚Ｔsubは０．１−１ｍｍで、信号電極幅Wは５−２０μｍ程度、信号電極と接地導体とのギャップ幅Gは１０−１００μm程度の寸法が採られる。この時、基部の電極厚Tm1は１−１５μｍ程度に設定し、Wｇｎｄ，Ｗと、対応する突出部の幅Ｗｇｕｐ，Ｗｕｐとの差を２−３０μｍ程度に設定し、かつ速度整合条件を満たすように突出部電極厚Ｔｍｕｐを設定することにより電極損失を小さくできる。ここで、突出部の厚さＴｍｕｐはＧが大きい時１００μm程度が好ましい場合がある。同様に、本発明を以上の進行波形電極やあるいは集中定数形電極を用いた光変調器に利用できることは自明である。

本発明に係る光変調器２０の平面的パターンを示す概略平面図である。図２のパターンの部分拡大図である。図１の光変調器２０の概略断面図である。図３の光変調器の寸法を示す部分拡大図である。（ａ）は、基板材料１１を示す図であり、（ｂ）は、基板材料１１上に金属下地膜１２を設けた状態を示す図であり、（ｃ）は、金属下地膜１２上にレジスト２３を形成した状態を示す図である。（ａ）は、基部２ａ、３ａを形成した状態を示す図であり、（ｂ）は、レジスト２３を除去した状態を示す図であり、（ｃ）は、新しいレジスト１３を形成した状態を示す図である。（ａ）は、レジスト１３内に突出部２ｂ、３ｂを形成した状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）からレジスト１３を除去した状態を示す図である。Ｔｍｕｐ、Ｔｍｌ、Ｗｕｐを変更したときの位相整合条件を示すグラフである。ＷｕｐおよびＴｍｌを変化させたときの駆動電圧ＶπＬの変化を示すグラフである。ＷｕｐおよびＴｍｌを変化させたときの電極損失αの変化を示すグラフである。突出部の位置の変位ｄｅｌＷｕｐを変化させたときの駆動電圧ＶπＬの変化を示すグラフである。突出部の位置の変位ｄｅｌＷｕｐを変化させたときの特性インピーダンスＺの変化を示すグラフである。突出部の位置の変位ｄｅｌＷｕｐを変化させたときのマイクロ波屈折率ｎｍの変化を示すグラフである。突出部の位置の変位ｄｅｌＷｕｐを変化させたときの電極損失αの変化を示すグラフである。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ光導波路２Ａ、２Ｂ接地電極２ａ、３ａ基部２ｂ、３ｂ突出部３Ａ、３Ｂ信号電極５光導波路基板６接着剤層７導電層８支持基板９、１０ギャップ１１基板材料１３、２３レジスト２０光変調器Ａ相互作用部Ｂフィードスルー部Ｇ１ギャップ９の寸法Ｇ２ギャップ１０の寸法Ｔｍ電極の全厚Ｔｍｌ基部の厚さＴｍｕｐ突出部の厚さＷ基部３ａの幅Ｗｕｐ突出部３ｂの幅Ｗｇｎｄ基部２ａの幅Ｗｇｕｐ突出部２ｂの幅

Claims

電気光学材料からなる基板、
前記基板上に設けられた変調用電極、および
前記基板に設けられた光導波路
を備えており、前記変調用電極に変調電圧を印加することによって、前記光導波路を伝搬する光を変調する光変調器であって、
前記変調用電極の少なくとも一部が、前記基板上に設けられている基部と、この基部よりも幅の狭い突出部とを備えていることを特徴とする、光変調器。
前記制御用電極が信号電極および接地電極を備えており、前記信号電極と前記接地電極との間にギャップが形成されており、前記光導波路が前記ギャップ内に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の光変調器。
前記信号電極が前記基部と前記突出部とを備えていることを特徴とする、請求項２記載の光変調器。
前記突出部が前記基部よりも厚いことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の光変調器。