JP2016194544A - Broad band waveguide type optical element - Google Patents

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市川 潤一郎
Junichiro Ichikawa
潤一郎 市川
勝利 近藤
Katsutoshi Kondo
勝利 近藤
利夫 片岡
Toshio Kataoka
利夫 片岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a microwave loss and to reduce a drive voltage while achieving velocity matching and impedance matching in a waveguide type optical element.SOLUTION: A waveguide type optical element is provided, which includes a substrate 100 where an optical waveguide 104 and a control electrode are formed and a dielectric layer 102 formed on the substrate. An RF electrode 106 and ground electrodes 108a, b in parallel to the RF electrode 106 are formed on the dielectric layer. A control electrode is composed of a center conductor and side conductors formed to interpose the center conductor, in which each of the center conductor and the side conductors is divided into a plurality of segments; segments of the center conductor are electrically connected to the respective portions, different from one another along the longitudinal direction of the RF electrode 106, with respect to the RF electrode 106 formed on the dielectric layer; and segments of each of the side conductors are electrically connected to the respective portions, different from one another along the longitudinal direction of each of the ground electrodes 108a, b, with respect to the ground electrodes 108a, b formed on the dielectric layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光導波路と当該光導波路を伝搬する光波を制御するための制御電極とを備えた導波路型光素子に関し、特に、広い周波数帯域に亘って動作が可能な導波路型光素子に関する。   The present invention relates to a waveguide type optical element including an optical waveguide and a control electrode for controlling a light wave propagating through the optical waveguide, and more particularly to a waveguide type optical element capable of operating over a wide frequency band. .

近年、光通信や光計測の分野においては、電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成した光変調器などの導波路型光素子が多く用いられている。導波路型光素子は、一般に、上記光導波路と、当該光導波路内を伝搬する光波を制御するための制御電極を備える。   In recent years, in the fields of optical communication and optical measurement, waveguide-type optical elements such as an optical modulator in which an optical waveguide is formed on a substrate having an electro-optic effect are often used. A waveguide-type optical element generally includes the optical waveguide and a control electrode for controlling a light wave propagating through the optical waveguide.

このような導波路型光素子として、例えば強誘電体結晶であるニオブ酸リチウム(LiNbO3)(「LN」とも称する)を基板に用いたマッハツェンダ型光変調器が広く用いられている。マッハツェンダ型光変調器は、外部から光を導入するための入射導波路と、当該入射導波路により導入された光を2つの経路に分けて伝搬させるための分岐部と、分岐部の後段に分岐されたそれぞれの光を伝搬させる2本の並行導波路と、当該2本の並行導波路を伝搬した光を合波して外部へ出力するための出射導波路とにより構成されるマッハツェンダ型光導波路を備える。   As such a waveguide type optical element, a Mach-Zehnder type optical modulator using, for example, a ferroelectric crystal lithium niobate (LiNbO3) (also referred to as “LN”) as a substrate is widely used. The Mach-Zehnder type optical modulator includes an incident waveguide for introducing light from the outside, a branching unit for propagating the light introduced by the incident waveguide in two paths, and a branching unit after the branching unit. Mach-Zehnder type optical waveguide composed of two parallel waveguides for propagating each of the generated light and an output waveguide for combining the light propagated through the two parallel waveguides and outputting them to the outside Is provided.

また、マッハツェンダ型光変調器は、電圧を印加することで、電気光学効果を利用して、上記並行導波路内を伝搬する光波の位相を変化させて制御するための制御電極を備える。当該制御電極は、一般に、上記並行導波路の長さ方向に沿ってその上部又はその近傍に形成されたRF(高周波)信号電極(以下、「RF電極」と称する)と、当該RF電極に離間して配置された接地電極と、を有するCPW(Coplanar Waveguide)型電極として構成されている。   In addition, the Mach-Zehnder optical modulator includes a control electrode for applying a voltage to change the phase of the light wave propagating in the parallel waveguide using the electro-optic effect. The control electrode is generally separated from an RF (high frequency) signal electrode (hereinafter referred to as “RF electrode”) formed on or near the parallel waveguide along the length direction of the parallel waveguide, and the RF electrode. And a ground electrode disposed as a CPW (Coplanar Waveguide) type electrode.

特に、並行導波路を伝搬する光波をより高い周波数で制御する広帯域(マイクロ波帯域)のマッハツェンダ型光変調器の設計においては、並行導波路を伝搬する光の伝搬速度とRF電極を伝搬する伝搬速度との速度整合(以下、単に「速度整合」という)と、駆動回路の出力インピーダンスに対するRF電極の入力インピーダンスの整合(以下、インピーダンス整合という)と、光波の制御のためにRF電極に印加すべき電圧(駆動電圧)と、をバランスさせる必要がある。   In particular, in the design of a broadband (microwave band) Mach-Zehnder type optical modulator that controls a light wave propagating in a parallel waveguide at a higher frequency, the propagation speed of light propagating through the parallel waveguide and the propagation propagating through the RF electrode It is applied to the RF electrode for speed matching with the speed (hereinafter simply referred to as “speed matching”), matching the input impedance of the RF electrode with respect to the output impedance of the driving circuit (hereinafter referred to as impedance matching), and controlling the light wave It is necessary to balance the power voltage (drive voltage).

すなわち、広帯域マッハツェンダ型光変調器では、速度整合と、インピーダンス整合と、を行うことを必須要件として、でき得る限り駆動電圧を低減することが必要となる。   That is, in the wideband Mach-Zehnder type optical modulator, it is necessary to perform speed matching and impedance matching as essential requirements and to reduce the drive voltage as much as possible.

この駆動電圧の低減のためには、一般に、RF電極を伝搬する高周波信号が並行導波路を伝搬する光波に作用する距離(以下、作用長)(すなわち、RF電極と並行導波路とが平行に形成されている部分(作用部)の距離)、RF電極を伝搬する際の高周波電気信号の損失(以下、マイクロ波損失)と、RF電極が基板内に形成する電界が並行導波路内を伝搬する光波の光変調に有効に作用する程度(以下、変調効率)と、が考慮される。   In order to reduce the driving voltage, generally, a distance (hereinafter referred to as an action length) in which a high-frequency signal propagating through the RF electrode acts on a light wave propagating through the parallel waveguide (that is, the RF electrode and the parallel waveguide are parallel to each other). Distance of the formed part (action part), loss of high-frequency electrical signal when propagating through the RF electrode (hereinafter referred to as microwave loss), and electric field formed in the substrate by the RF electrode propagates in the parallel waveguide The degree to which the light wave effectively acts on the light modulation (hereinafter referred to as modulation efficiency) is considered.

また、速度整合及びインピーダンス整合については、CPW型電極として構成されるRF電極と接地電極の離間距離(以下、電極間距離)、RF電極と接地電極とが相対向して並走する距離(以下、並走距離)、RF電極と接地電極の相対向する側面の高さ(すなわち、当該側面の単位距離当たりの面積)(以下、電極高さ)、RF電極の幅(以下、電極幅)、LN基板の実効屈折率の調整(基板厚さや、低誘電率バッファ層の形成等)が考慮される。   For speed matching and impedance matching, the separation distance between the RF electrode configured as a CPW electrode and the ground electrode (hereinafter referred to as interelectrode distance), the distance that the RF electrode and the ground electrode are opposed to each other (hereinafter referred to as “parallel distance”) , Parallel running distance), the height of the side surfaces of the RF electrode and the ground electrode facing each other (that is, the area per unit distance of the side surface) (hereinafter referred to as electrode height), the width of the RF electrode (hereinafter referred to as electrode width), Adjustment of the effective refractive index of the LN substrate (substrate thickness, formation of a low dielectric constant buffer layer, etc.) is considered.

従来、広帯域のマッハツェンダ型光変調器の設計においては、主に、作用長を長く(長尺化)することで駆動電圧が低減され、電極間距離を大きくすることでマイクロ波損失が低減され、上記作用長以上の並走距離の範囲で速度整合とインピーダンス整合とが図られる。このため、RF電極を伝搬する高周波信号は、LN基板の内部及び空気中に大きく浸み出しており、例えばQPSK(四位相偏移変調、Quadrature Phase Shift Keying)光変調器のように複数のマッハツェンダ構成の光変調器が集積して用いられる構成では、隣接する光変調器のRF電極間でのクロストークが発生しやすい。そのため、隣接して形成される光変調器間の距離を広げる必要があり、これがQPSK変調器としての光素子サイズの、小型化の制限要因となっている。   Conventionally, in the design of a broadband Mach-Zehnder optical modulator, the driving voltage is mainly reduced by increasing the length of action (lengthening), and the microwave loss is reduced by increasing the distance between the electrodes. Velocity matching and impedance matching can be achieved within a range of parallel running distances equal to or longer than the action length. For this reason, the high-frequency signal propagating through the RF electrode oozes greatly in the LN substrate and in the air. For example, a plurality of Mach-Zehnders such as a QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) optical modulator. In the configuration in which the optical modulators having the configurations are integrated and used, crosstalk is likely to occur between the RF electrodes of the adjacent optical modulators. Therefore, it is necessary to increase the distance between adjacent optical modulators, which is a limiting factor for reducing the size of the optical element as a QPSK modulator.

光素子を小型化する技術として、LN基板の裏面(光導波路が形成された面に対向する面)にも接地電極を設けることで、速度整合とインピーダンス整合とを図りつつ、電極間距離を狭くして、駆動電圧を低減する光制御素子が知られている(特許文献1)。この光制御素子では、電極間距離を狭くすることで、RF電極がLN基板内に形成する電界分布と光導波路を伝搬する光波の強度分布とのオーバラップ範囲を増加させる(すなわち、変調効率を増加させる)ことで、更なる駆動電圧の低減が図られる。   As a technology for downsizing the optical element, a ground electrode is also provided on the back surface of the LN substrate (the surface opposite to the surface on which the optical waveguide is formed), so that speed matching and impedance matching are achieved, and the distance between the electrodes is reduced. A light control element that reduces the drive voltage is known (Patent Document 1). In this light control element, by reducing the distance between the electrodes, the overlap range between the electric field distribution formed by the RF electrode in the LN substrate and the intensity distribution of the light wave propagating through the optical waveguide is increased (that is, the modulation efficiency is reduced). The drive voltage can be further reduced.

しかしながら、特許文献1の光制御素子では、電極の断面積及び表皮面積が比較的小さいためマイクロ波損失が比較的大きい。このため、長尺化による駆動電圧低減の効果は低く、さらに改善の余地がある。   However, in the light control element of Patent Document 1, since the cross-sectional area and the skin area of the electrode are relatively small, the microwave loss is relatively large. For this reason, the effect of the drive voltage reduction by lengthening is low, and there exists room for improvement.

マイクロ波損失を低減する技術として、変調効率を下げることなく速度整合とインピーダンス整合とが可能な範囲内で、RF電極を、接地電極より背の高い構成として電極断面のアスペクト比を更に大きくしたり、幅の狭い下部層と幅の広い上部層から成る(キノコ状の)多層構成とする、導波路形光デバイスが知られている(特許文献2)。   As a technique to reduce microwave loss, the aspect ratio of the electrode cross section is further increased by making the RF electrode taller than the ground electrode within the range where speed matching and impedance matching are possible without lowering the modulation efficiency. There is known a waveguide type optical device having a (mushroom-like) multilayer structure composed of a narrow lower layer and a wide upper layer (Patent Document 2).

またRF電極をより高くし、RF電極の上層部をより広くすることでマイクロ波の導体損失(表皮損失)を小さくすることができる。特性シミュレーションの上では、たとえばRF電極の高さを特許文献3に示されるように90μmとすれば、マイクロ波の導体損失を大きくさげることができるため、電極長を長くすることができ駆動電圧を低減できることが知られている。   Further, by making the RF electrode higher and making the upper layer portion of the RF electrode wider, the microwave conductor loss (skin loss) can be reduced. In the characteristic simulation, for example, when the height of the RF electrode is set to 90 μm as shown in Patent Document 3, the conductor loss of the microwave can be increased, so that the electrode length can be increased and the drive voltage can be increased. It is known that it can be reduced.

しかしながら、このような導波路形光デバイスでは、電極形成のプロセスが複雑となり、電極自体の機械的安定性が低下する。現実的なデバイスの設計では、RF電極の基部(光導波路を形成する基板に取り付く部分)の幅を光導波路幅と同程度に細くする必要があり、広い上部層を高く幅広くするには限界がある。特許文献4の図1に示されるRF電極の上層部の幅、高さは、極めて現実的な設計構成であり、通信デバイスの一般的な信頼性確認試験であるTelcordia 試験の振動試験( GR-1221 6軸20Gで20〜2000 Hzによって破壊しないことなど)にも耐えうるだけの信頼性の確保が可能であるが、RF電極の上層部の幅または高さを更に2,3割程度増加することは困難である。   However, in such a waveguide type optical device, the electrode formation process becomes complicated, and the mechanical stability of the electrode itself decreases. In practical device design, it is necessary to make the width of the base of the RF electrode (the part attached to the substrate forming the optical waveguide) as thin as the width of the optical waveguide. is there. The width and height of the upper layer portion of the RF electrode shown in FIG. 1 of Patent Document 4 are extremely realistic design configurations, and the vibration test (GR-) of the Telcordia test, which is a general reliability confirmation test for communication devices. 1221 6-axis 20G can be reliable enough to withstand 20 to 2000 Hz), but the width or height of the upper layer of the RF electrode is further increased by about 20-30% It is difficult.

特許文献3の図13に示されるような構造上の補強(図13a基部をポリマーなどの絶縁体により補強、 図13b 基部を二つ設ける)をしても、上層部の幅や高さを、50μmを超える構造にすることは困難である。   Even if the structural reinforcement as shown in FIG. 13 of Patent Document 3 (FIG. 13a base is reinforced with an insulator such as a polymer, FIG. 13b two bases are provided), the width and height of the upper layer part are It is difficult to make a structure exceeding 50 μm.

なお、作用部電極がCPW構造の場合、トレンチ部(光導波路の両側に形成された溝)の構造や角度は電界の分布に影響するため、特許文献3の図4に示されるようになだらかな斜面を有しても良いし特許文献4の図1の様にサブトレンチを有する構造にしても良い。CPW電極の設計に応じて当業者が設計する事項である。   In addition, when the action part electrode has a CPW structure, the structure and angle of the trench part (grooves formed on both sides of the optical waveguide) affect the electric field distribution. Therefore, as shown in FIG. It may have a slope or a structure having a sub-trench as shown in FIG. This is a matter designed by those skilled in the art depending on the design of the CPW electrode.

特許第5298849号公報Japanese Patent No. 52988849 特開平8−122722号公報JP-A-8-122722 米国特許出願公開第20050201686号明細書US Patent Application Publication No. 20050201686 米国特許出願公開第2003194164号明細書US Patent Application Publication No. 2003003164 米国特許出願公開第20030227666号明細書US Patent Application Publication No. 200302227666

上記の背景より、広帯域動作を行う導波路型光素子において、速度整合とインピーダンス整合とを適切に確保しつつ、マイクロ波損失を低減し駆動電圧を効果的に低減することのできる構成の実現が望まれている。   Based on the above background, in a waveguide type optical device that operates in a wide band, it is possible to realize a configuration capable of effectively reducing driving loss and reducing microwave loss while appropriately ensuring speed matching and impedance matching. It is desired.

本発明の一の態様は、電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極と、を備える導波路型光素子である。当該導波路型光素子は、前記基板の、前記制御電極が形成された面の上部に、誘電体層を有し、前記誘電体層の、前記制御電極から遠い側の面上に、高周波信号が伝搬するRF電極と、当該RF電極を所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように設けられた接地電極と、が形成されており、前記制御電極は、中心導体と、当該中心導体を所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように形成された側方導体と、で構成され、且つ、前記中心導体と前記側方導体とは、それぞれ、前記光導波路の長さ方向に沿って電気的に互いに絶縁されるように複数のセグメントに分割されており、前記中心導体の前記各セグメントは、前記誘電体層に形成されたRF電極に対し、当該RF電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されており、前記側方導体のそれぞれの前記各セグメントは、前記誘電体層に形成された接地電極のそれぞれに対し、当該接地電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている。
本発明の他の態様によると、前記中心導体の前記各セグメント及び前記側方導体の前記各セグメントの、前記光導波路の長さ方向に沿った長さは、前記RF電極に入力される高周波信号の当該RF電極における波長の1/10以下である。
本発明の他の態様によると、前記誘電体層の厚さは、50μm以上である。
本発明の他の態様によると、前記基板は、ニオブ酸リチウム基板である。
本発明の他の態様によると、前記光導波路は、マッハツェンダ型の光導波路である。
本発明の他の態様によると、前記光導波路は、前記中心導体により印加される電界が光波に作用する作用部を有し、前記光導波路は、前記作用部が形成された前記基板の部分がその周囲の前記基板の部分の表面よりも高く形成されているリブ型構造の光導波路である。
One embodiment of the present invention is a waveguide-type optical element including an optical waveguide formed on a substrate having an electro-optic effect, and a control electrode that controls a light wave propagating through the optical waveguide. The waveguide type optical element has a dielectric layer on an upper surface of the substrate on which the control electrode is formed, and a high-frequency signal is formed on a surface of the dielectric layer far from the control electrode. And a ground electrode provided so as to sandwich the RF electrode by a predetermined distance in the plane direction of the substrate, and the control electrode includes a central conductor and the center Side conductors formed so as to sandwich the conductor in the plane direction of the substrate with a predetermined distance therebetween, and the center conductor and the side conductor are each the length of the optical waveguide. It is divided into a plurality of segments so as to be electrically insulated from each other along the direction, and each segment of the central conductor has a length of the RF electrode with respect to the RF electrode formed in the dielectric layer. Electricity to different parts along the direction And each segment of each of the side conductors is electrically connected to a different portion along the length direction of the ground electrode with respect to each of the ground electrodes formed on the dielectric layer. Has been.
According to another aspect of the present invention, the length of each segment of the central conductor and each segment of the side conductor along the length direction of the optical waveguide is a high-frequency signal input to the RF electrode. 1/10 or less of the wavelength at the RF electrode.
According to another aspect of the present invention, the dielectric layer has a thickness of 50 μm or more.
According to another aspect of the invention, the substrate is a lithium niobate substrate.
According to another aspect of the invention, the optical waveguide is a Mach-Zehnder type optical waveguide.
According to another aspect of the present invention, the optical waveguide has a working portion in which an electric field applied by the central conductor acts on a light wave, and the optical waveguide has a portion of the substrate on which the working portion is formed. It is an optical waveguide having a rib-type structure formed higher than the surface of the surrounding portion of the substrate.

本発明の第1の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the waveguide type optical element which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1に示す導波路型光素子の基板の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the board | substrate of the waveguide type optical element shown in FIG. 図1に示す導波路型光素子の、基板上に誘電体層を形成した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which formed the dielectric material layer on the board | substrate of the waveguide type optical element shown in FIG. 図1に示す導波路型光素子の、平面Sに沿う断面をAA方向から見た断面図である。It is sectional drawing which looked at the cross section along the plane S of the waveguide type optical element shown in FIG. 1 from the AA direction. 本発明の第2の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the waveguide type optical element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図5に示す導波路型光素子の誘電体層の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the dielectric material layer of the waveguide type optical element shown in FIG. 図2に示す基板と図6に示す誘電体層との接続を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the connection of the board | substrate shown in FIG. 2, and the dielectric material layer shown in FIG.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。
本導波路型光素子10は、マッハツェンダ型光変調器であり、マッハツェンダ(MZ、Mach-Zehnder)型光導波路104が形成された基板100と、基板100上に設けられた誘電体層102と、を有している。誘電体層102の図示上面には、高周波電気信号が入力される高周波(RF、Radio-Frequency)電極106と、誘電体層102の面内においてRF電極106を所定の距離だけ離れて挟むように設けられた接地電極108a、108bと、が形成されている。これにより、RF電極106と、接地電極108a、108bとは、CPW型電極を構成している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a waveguide type optical element according to the first embodiment of the present invention.
The waveguide type optical element 10 is a Mach-Zehnder type optical modulator, and includes a substrate 100 on which a Mach-Zehnder (MZ) optical waveguide 104 is formed, a dielectric layer 102 provided on the substrate 100, have. On the upper surface of the dielectric layer 102, a radio-frequency (RF) electrode 106 to which a high-frequency electrical signal is input is sandwiched between the RF electrode 106 by a predetermined distance in the plane of the dielectric layer 102. Provided ground electrodes 108a and 108b are formed. Thereby, the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b constitute a CPW type electrode.

高周波信号は、RF電極106の図示左上側の端部から入力され、図示右下側端部に向かって伝搬して、例えば当該端部に接続された終端抵抗(不図示)により終端される。   A high-frequency signal is input from the upper left end of the RF electrode 106 in the figure, propagates toward the lower right end of the figure, and is terminated by, for example, a termination resistor (not shown) connected to the end.

図2は、基板100の構成を示す図である。
基板100は、電気光学材料であるニオブ酸リチウム(LN)から成る基板であり、例えばXカットのLN基板である。MZ型光導波路104は、並行導波路200、202を有し、並行導波路200、202に挟まれた基板100面上の領域に、中心導体204が形成されている。また、並行導波路200、202を挟んで中心導体204と対向する側に、それぞれ、中心導体204から所定の距離だけ離れた位置に、側方導体206、208が形成されている。これらの中心導体204、側方導体206、208は、並行導波路200、202を伝搬する光波を制御する制御電極を構成する。より詳細には、中心導体204と側方導体206とが、並行導波路200を伝搬する光波を制御する制御電極を構成し、中心導体204と側方導体208とが、並行導波路202を伝搬する光波を制御する制御電極を構成している。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the substrate 100.
The substrate 100 is a substrate made of lithium niobate (LN), which is an electro-optic material, and is, for example, an X-cut LN substrate. The MZ type optical waveguide 104 has parallel waveguides 200 and 202, and a central conductor 204 is formed in a region on the surface of the substrate 100 sandwiched between the parallel waveguides 200 and 202. Further, side conductors 206 and 208 are formed on the side facing the central conductor 204 with the parallel waveguides 200 and 202 interposed therebetween, at positions separated from the central conductor 204 by a predetermined distance, respectively. The central conductor 204 and the side conductors 206 and 208 constitute a control electrode that controls the light wave propagating through the parallel waveguides 200 and 202. More specifically, the center conductor 204 and the side conductor 206 constitute a control electrode that controls the light wave propagating through the parallel waveguide 200, and the center conductor 204 and the side conductor 208 propagate through the parallel waveguide 202. The control electrode which controls the light wave to perform is comprised.

特に、中心導体204、及び側方導体206、208は、それぞれ、並行導波路200、202の長さ方向に沿って電気的に互いに絶縁されるように分割された複数のセグメントに分割されている。すなわち、並行導波路200、202の長さ方向に沿って、中心導体204は中心導体セグメント204a〜204hに分割されており、側方導体206は側方導体セグメント206a〜206hに分割されており、側方導体208は側方導体セグメント208a〜208hに分割されており。   In particular, the center conductor 204 and the side conductors 206 and 208 are divided into a plurality of segments that are divided so as to be electrically insulated from each other along the length direction of the parallel waveguides 200 and 202, respectively. . That is, along the length direction of the parallel waveguides 200 and 202, the center conductor 204 is divided into center conductor segments 204a to 204h, and the side conductors 206 are divided into side conductor segments 206a to 206h. Side conductor 208 is divided into side conductor segments 208a-208h.

側方導体セグメント206a〜206hは、それぞれ、並行導波路200を挟んで中心導体セグメント204a〜204hに対向して配置されており、側方導体セグメント208a〜208hは、それぞれ、並行導波路202を挟んで中心導体セグメント204a〜204hに対向して配置されている。   The side conductor segments 206a to 206h are respectively arranged to face the central conductor segments 204a to 204h with the parallel waveguide 200 interposed therebetween, and the side conductor segments 208a to 208h respectively sandwich the parallel waveguide 202. Are disposed opposite the central conductor segments 204a to 204h.

なお、MZ型光導波路104は、例えば基板100に金属チタン(Ti)を熱拡散する方法やリッジ状に加工する方法等、既知の種々の方法を用いて作製することができる。   The MZ type optical waveguide 104 can be manufactured by using various known methods such as a method of thermally diffusing metal titanium (Ti) on the substrate 100 and a method of processing into a ridge shape.

図3は、基板100上に誘電体層102を形成した中間段階の状態を示す図である。基板100上には、所定の誘電率を有する誘電体材料で構成された誘電体層102が形成されている。当該誘電体としては、例えばBenzocyclobutene(BCB)系、polydimethylsiloxane(PDMS)系、polyimide系などの樹脂やシリカ(二酸化ケイ素)系のゾルゲル材料など、誘電率および誘電損失であるtan δ(誘電正接)が共に小さく厚膜形成工程に適する材料を用いることができる。日立化成株式会社製のKI−1000シリーズやMicrochem社製のSU8系などの、いわゆる厚膜感光性永久レジストなどを用いても良い。ミリ波帯における比誘電率が大きいLNのような材料を基板とする場合(LNの比誘電率は、およそ27〜46で、異方性がある。)、ミリ波帯における比誘電率をεとして、   FIG. 3 is a diagram showing an intermediate stage state in which the dielectric layer 102 is formed on the substrate 100. A dielectric layer 102 made of a dielectric material having a predetermined dielectric constant is formed on the substrate 100. Examples of the dielectric include tan δ (dielectric loss tangent), which is a dielectric constant and dielectric loss, such as a resin such as Benzocyclobutylene (BCB), polydimethylsiloxane (PDMS), and polyimide, and a sol-gel material of silica (silicon dioxide). Both can be made of a material that is small and suitable for the thick film forming step. A so-called thick film photosensitive permanent resist such as KI-1000 series manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd. or SU8 series manufactured by Microchem may be used. When a material such as LN having a high relative dielectric constant in the millimeter wave band is used as a substrate (the relative dielectric constant of LN is approximately 27 to 46 and has anisotropy), the relative dielectric constant in the millimeter wave band is ε. As

Figure 2016194544
の材料を選択することが望ましい。
Figure 2016194544
It is desirable to select these materials.

誘電体層102には、基板100上の中心導体セグメント204a〜204hの各位置に対応する位置に、それぞれ、これらの中心導体セグメント204a〜204hと電気的に接続されるように、基板100の表面から誘電体層102の表面へ向かって導体300a〜300hが形成されている。同様に、誘電体層102には、基板100上の側方導体セグメント206a〜206hの各位置に対応する位置に、それぞれ、これらの側方導体セグメント206a〜206hと電気的に接続されるように、基板100の表面から誘電体層102の表面へ向かって導体302a〜302hが形成されており、側方導体セグメント208a〜208hの各位置に対応する位置に、それぞれ、これらの側方導体セグメント208a〜208hと電気的に接続されるように、基板100の表面から誘電体層102の表面へ向かって導体304a〜304hが形成されている。   The dielectric layer 102 has a surface of the substrate 100 that is electrically connected to the center conductor segments 204a to 204h at positions corresponding to the positions of the center conductor segments 204a to 204h on the substrate 100, respectively. Conductors 300 a to 300 h are formed from the surface toward the surface of the dielectric layer 102. Similarly, the dielectric layer 102 is electrically connected to the side conductor segments 206a to 206h at positions corresponding to the positions of the side conductor segments 206a to 206h on the substrate 100, respectively. The conductors 302a to 302h are formed from the surface of the substrate 100 toward the surface of the dielectric layer 102, and the side conductor segments 208a are arranged at positions corresponding to the positions of the side conductor segments 208a to 208h, respectively. Conductors 304 a to 304 h are formed from the surface of the substrate 100 toward the surface of the dielectric layer 102 so as to be electrically connected to ˜208 h.

誘電体層102の図示上面には、上述したように、CPW型電極を構成するRF電極106と、接地電極108a、108bとが、形成されている(図1)。特に、RF電極106は、導体300a〜300hと電気的に接続されるように形成されている。また、接地電極108aは、導体302a〜302hと電気的に接続されるように形成され、接地電極108bは、導体304a〜304hと電気的に接続されるように形成されている。   As described above, the RF electrode 106 constituting the CPW electrode and the ground electrodes 108a and 108b are formed on the upper surface of the dielectric layer 102 in the figure (FIG. 1). In particular, the RF electrode 106 is formed so as to be electrically connected to the conductors 300a to 300h. The ground electrode 108a is formed to be electrically connected to the conductors 302a to 302h, and the ground electrode 108b is formed to be electrically connected to the conductors 304a to 304h.

すなわち、基板100上に形成された中心導体セグメント204a〜204hは、誘電体層102上に形成されたRF電極106に対し、導体300a〜300hを介して、当該RF電極106の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている。同様に、基板100上に形成された側方導体セグメント206a〜206hは、誘電体層102上に形成された接地電極108aに対し、導体302a〜302hを介して、当該接地電極108aの長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続され、基板100上に形成された側方導体セグメント208a〜208hは、誘電体層102上に形成された接地電極108bに対し、導体304a〜304hを介して、当該接地電極108bの長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている。   That is, the central conductor segments 204a to 204h formed on the substrate 100 are along the length direction of the RF electrode 106 with respect to the RF electrode 106 formed on the dielectric layer 102 via the conductors 300a to 300h. Are electrically connected to different parts. Similarly, the side conductor segments 206a to 206h formed on the substrate 100 are connected to the ground electrode 108a formed on the dielectric layer 102 in the length direction of the ground electrode 108a via the conductors 302a to 302h. The side conductor segments 208a to 208h formed on the substrate 100 are electrically connected to different portions along the conductors 304a to 304h with respect to the ground electrode 108b formed on the dielectric layer 102. Are electrically connected to different portions along the length direction of the ground electrode 108b.

図4は、図1に示す導波路型光素子10の平面Sに沿う断面を、AA方向から見た断面図である。本断面図に示された中心導体セグメント204dは、並行導波路200と202とで挟まれた基板100上の領域に設けられた中心導体204を分割して形成されるセグメントの一部である。また、側方導体セグメント206dは、並行導波路200を挟んで中心導体204と対向する側に設けられた側方導体206を分割して形成されるセグメントの一部であり、側方導体セグメント208dは、並行導波路202を挟んで中心導体204と対向する側に設けられた側方導体208を分割して形成されるセグメントの一部である。   FIG. 4 is a cross-sectional view of the cross section along the plane S of the waveguide type optical element 10 shown in FIG. 1 as viewed from the AA direction. The central conductor segment 204d shown in this cross-sectional view is a part of a segment formed by dividing the central conductor 204 provided in a region on the substrate 100 sandwiched between the parallel waveguides 200 and 202. The side conductor segment 206d is a part of a segment formed by dividing the side conductor 206 provided on the side facing the central conductor 204 across the parallel waveguide 200, and the side conductor segment 208d. Is a part of a segment formed by dividing the side conductor 208 provided on the side facing the central conductor 204 across the parallel waveguide 202.

そして、中心導体セグメント204dは、誘電体層102に形成された導体300dにより、当該誘電体層102上に形成されたRF電極106と電気的に接続されている。同様に、側方導体セグメント206dは、誘電体層102に形成された導体302dにより、当該誘電体層102上に形成された接地電極108aと電気的に接続され、側方導体セグメント208dは、誘電体層102に形成された導体304dにより、当該誘電体層102上に形成された接地電極108bと電気的に接続されている。   The central conductor segment 204d is electrically connected to the RF electrode 106 formed on the dielectric layer 102 by a conductor 300d formed on the dielectric layer 102. Similarly, the side conductor segment 206d is electrically connected to the ground electrode 108a formed on the dielectric layer 102 by the conductor 302d formed on the dielectric layer 102, and the side conductor segment 208d is electrically connected to the dielectric layer 102. The conductor 304 d formed on the body layer 102 is electrically connected to the ground electrode 108 b formed on the dielectric layer 102.

なお、導体300a〜300h、302a〜302h、304a〜304hは、例えば誘電体層102を同じ誘電体材料から成る薄い層の積み重ねとして形成するものとし、当該薄い層のそれぞれを形成する際に、対応する部分に金属等の導電体を繰り返し形成させることで(いわゆるビルドアップ配線の作製手法で)作製することができる。また、配線電極が形成された別体の基板を用意し、いわゆるフリップチップ接続により作製してもよい。さらに、ガラス製や樹脂製のインターポーザーを介して制御電極層とRF電極層の接続を行っても良い。   The conductors 300a to 300h, 302a to 302h, and 304a to 304h are formed by stacking thin layers made of the same dielectric material, for example, and the dielectric layer 102 is formed when each of the thin layers is formed. It can be manufactured by repeatedly forming a conductor such as a metal on the portion to be formed (by a so-called build-up wiring manufacturing method). Alternatively, a separate substrate on which wiring electrodes are formed may be prepared and manufactured by so-called flip chip connection. Further, the control electrode layer and the RF electrode layer may be connected via an interposer made of glass or resin.

上記の構成を有する導波路型光素子10は、基板100上に形成されたMZ型光導波路104の並行導波路200、202を伝搬する光波を制御するため制御電極である中心導体204、側方導体206、208が、それぞれ、互いに電気的に絶縁された複数のセグメントで構成され、中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hは、それぞれ、導体300a〜300h、302a〜302h、304a〜304hを介して、誘電体層102上に形成されたRF電極106、接地電極108a、108bに対し、これらの電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている。   The waveguide type optical element 10 having the above configuration includes a central conductor 204 that is a control electrode for controlling light waves propagating through the parallel waveguides 200 and 202 of the MZ type optical waveguide 104 formed on the substrate 100, and a lateral side. Each of the conductors 206 and 208 is composed of a plurality of segments that are electrically insulated from each other, and the central conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments 208a to 208h are each a conductor 300a. Electrically connected to different portions along the length direction of the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b formed on the dielectric layer 102 through ~ 300h, 302a to 302h, and 304a to 304h. It is connected to the.

このため、中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hには、それぞれ、CPW型電極を構成するRF電極106、接地電極108a、108bを伝搬する高周波の、RF電極106、接地電極108a、108bの対応する部分における電位が印加されることとなり、並行導波路200、202を伝搬する光波は、RF電極106、接地電極108a、108bを伝搬する高周波信号によって制御されることとなる。   For this reason, the center conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments 208a to 208h have high-frequency waves propagating through the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b constituting the CPW electrode, respectively. Thus, potentials at corresponding portions of the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b are applied, and light waves propagating through the parallel waveguides 200 and 202 are caused by high-frequency signals propagating through the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b. Will be controlled.

そして、RF電極106、接地電極108a、108bが形成される誘電体層102の上面と、並行導波路200、202、及び中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hが形成される基板100上の面とは、誘電体層102の厚さ分だけ隔たっているので、RF電極106、接地電極108a、108bの設計と、並行導波路200、202、及び中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hの設計とを、ある程度、互いに独立して行うことが可能となる。   The top surface of the dielectric layer 102 on which the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b are formed, the parallel waveguides 200 and 202, the central conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments. Since the surface on the substrate 100 on which 208a to 208h is formed is separated by the thickness of the dielectric layer 102, the design of the RF electrode 106, the ground electrodes 108a and 108b, the parallel waveguides 200 and 202, and The design of the center conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments 208a to 208h can be performed independently of each other to some extent.

すなわち、速度整合、インピーダンス整合、及びマイクロ波損失等の、導波路型光素子10の電気的な高周波特性については、RF電極106、接地電極108a、108bの設計(より具体的には、誘電体層102に用いる材料の誘電率と、RF電極106、接地電極108a、108bのサイズ及び配置)により所望の特性を実現することができ、一方、光変調動作に必要な駆動電圧の低減に関しては、基板100上における並行導波路200、202、及び中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hのサイズや配置を定めて、変調効率を高める等により所望の特性を実現することができる。   That is, regarding the electrical high frequency characteristics of the waveguide type optical element 10 such as speed matching, impedance matching, and microwave loss, the design of the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b (more specifically, dielectric The dielectric constant of the material used for the layer 102 and the size and arrangement of the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b) can achieve desired characteristics. On the other hand, regarding the reduction of the driving voltage necessary for the light modulation operation, The size and arrangement of the parallel waveguides 200 and 202, the central conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments 208a to 208h on the substrate 100 are determined to increase the modulation efficiency. Characteristics can be realized.

その結果、従来のように高アスペクト比やキノコ状の断面を持つRF電極の採用による機械的安定性の低下を招くことなく、マイクロ波損失と、速度整合及びインピーダンス整合とを両立させつつ、駆動電圧の低減を図ることが可能となる。   As a result, it is possible to drive while achieving both microwave loss, speed matching and impedance matching without reducing the mechanical stability due to the adoption of RF electrodes with a high aspect ratio and mushroom-like cross section as in the past. The voltage can be reduced.

なお、誘電体層102の厚さは、RF電極106、接地電極108a、108bからの電界が基板100に達しないように、50μm以上とすることが望ましい。これにより、RF電極106、接地電極108a、108bを伝わるRF信号の伝搬速度は、高い比誘電率の基板100の影響が軽減され、光導波路を伝わる光の伝搬速度に合わせて、セグメント電極から制御信号を給電することでできる。   The thickness of the dielectric layer 102 is desirably 50 μm or more so that the electric field from the RF electrode 106 and the ground electrodes 108 a and 108 b does not reach the substrate 100. Accordingly, the propagation speed of the RF signal transmitted through the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b is reduced from the influence of the substrate 100 having a high relative dielectric constant, and is controlled from the segment electrode in accordance with the propagation speed of the light transmitted through the optical waveguide. This can be done by feeding a signal.

尚、誘電体層に形成された導体300a〜300h、導体302a〜302h、導体304a〜304hを形成せず、中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hを形成すると、RF電極部を伝わるRF信号の速さは、光導波路を伝わる光の伝搬速度にくらべて速くなり、誘電体層102の厚さと比誘電率、RF電極106、接地電極108a、108bの形状や間隔に依存する。中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hおよび、誘電体層に形成された導体300a〜300h、導体302a〜302h、導体304a〜304hは、RF電極にインダクタが装荷されたと見なすことができる。このため各セグメント電極に給電されるRF信号の光の伝搬方向に伝わる実効的速さは、中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hを有さない場合のRF電極を伝わる速さよりも遅くなる。   The conductors 300a to 300h, the conductors 302a to 302h, and the conductors 304a to 304h formed in the dielectric layer are not formed, but the central conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments 208a to 208h. , The speed of the RF signal transmitted through the RF electrode portion is faster than the propagation speed of the light transmitted through the optical waveguide, and the thickness and relative dielectric constant of the dielectric layer 102, the RF electrode 106, and the ground electrodes 108a and 108b. Depends on the shape and spacing. The central conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, the side conductor segments 208a to 208h, and the conductors 300a to 300h, the conductors 302a to 302h, and the conductors 304a to 304h formed on the dielectric layer are RF electrodes. It can be considered that the inductor is loaded. Therefore, the effective speed of the RF signal transmitted to each segment electrode in the propagation direction of the light does not include the center conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments 208a to 208h. It is slower than the speed of transmission through the RF electrode.

中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hおよび、誘電体層に形成された導体300a〜300h、導体302a〜302h、導体304a〜304hの回路部の電気容量やインダクタが大きいほど、また、それらの形成頻度が高いほど、その実効的速度の低下が大きい。   Central conductor segments 204a to 204h, side conductor segments 206a to 206h, side conductor segments 208a to 208h, and conductors 300a to 300h, conductors 302a to 302h, and conductors 304a to 304h formed in the dielectric layer The larger the capacitance and inductor, and the higher the frequency of their formation, the greater the reduction in effective speed.

なお、誘電体層102の厚さを厚くした場合(たとえば1ミリ以上)、あるいは、作用部の導体セグメント電極の設置数が少なすぎると、セグメント電極に給電される信号の光の伝搬伝搬方向に伝わる実効的速さを光導波路を伝わる光の伝搬速度に合わせられない(
に記載の構成に相等)。
In addition, when the thickness of the dielectric layer 102 is increased (for example, 1 mm or more), or when the number of conductor segment electrodes installed in the working portion is too small, the propagation direction of the light of the signal fed to the segment electrodes is increased. The effective speed of transmission cannot be adjusted to the propagation speed of light traveling through the optical waveguide (
Etc.).

この場合、比誘電率が高くかつ誘電損失の低い材料をRF電極層の近傍に設置することにより、RF信号の速度を低下させてセグメント電極に給電される信号の光の伝搬伝搬方向に伝わる実効的速さを光導波路を伝わる光の伝搬速度に合わせてもよい。ただし、製造コストおよび信頼性の確保の点では、誘電体層102の厚さと比誘電率、RF電極106、接地電極108a、108bの形状や間隔の設計、および、制御信号を中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hおよび、RF電極層と作用部電極層をつなぐ導体の回路部の容量やインダクタ、設置頻度とのバランスによって、合わせることが望ましい。   In this case, by installing a material having a high relative dielectric constant and a low dielectric loss in the vicinity of the RF electrode layer, it is possible to reduce the speed of the RF signal so that the signal transmitted to the segment electrode is transmitted in the propagation direction. The target speed may be adjusted to the propagation speed of light traveling through the optical waveguide. However, in terms of ensuring the manufacturing cost and reliability, the thickness and relative dielectric constant of the dielectric layer 102, the shape and interval design of the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b, and the control signal are controlled by the central conductor segments 204a to 204a. 204h, side conductor segments 206a to 206h, side conductor segments 208a to 208h, and the circuit circuit capacity of the conductor connecting the RF electrode layer and the working electrode layer, the inductor, and the installation frequency are preferably matched.

また、中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hの各セグメントの、並行導波路200、202の長さ方向に沿う長さは、RF電極106、接地電極108a、108bを伝搬する高周波が、疑似的に中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hを伝搬していると見なせる程度に短く設定される必要がある。   The lengths of the central conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments 208a to 208h along the length direction of the parallel waveguides 200 and 202 are determined by the RF electrode 106, the ground The high frequency propagating through the electrodes 108a and 108b needs to be set to be short enough to be considered to propagate through the central conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments 208a to 208h. is there.

具体的には、中心導体セグメント204a〜204h、側方導体セグメント206a〜206h、側方導体セグメント208a〜208hの各セグメントの、並行導波路200、202の長さ方向に沿う長さは、RF電極106に入力される高周波信号の当該RF電極106における波長の1/10以下であることが望ましい。   Specifically, the length of each of the central conductor segments 204a to 204h, the side conductor segments 206a to 206h, and the side conductor segments 208a to 208h along the length direction of the parallel waveguides 200 and 202 is the RF electrode. It is desirable that the frequency of the high-frequency signal input to 106 is 1/10 or less of the wavelength at the RF electrode 106.

なお、RF電極の材料には金(Au)、銀(Ag)や銅(Cu)あるいはそれらを含む合金等の導電性の良好な材料が用いられるが、これらの金属の線膨張係数は、おおむね10−15ppm/℃であるのに対し、LNの線膨張係数は組成や方位に依存するがおよそ2ppm/℃と一桁近く小さい。したがって、温度変化による歪みの差は大きく、電極取り付け部に係る応力は大きくなる。ただし、基板100の厚さを、10μm程度以下とすれば、RF電極やその側方接地電極に比べて格段に小さな厚さとなり、基板100は、RF電極やその側方接地電極の歪みに応じて歪むこととなるものの、基板100に反りやうねりが生じても、基板100が薄いため当該基板100の表面と裏面の伸縮差異は小さいので、基板100に割れは生じにくい。   The RF electrode is made of a material having good conductivity such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), or an alloy containing them. The linear expansion coefficient of these metals is generally Whereas it is 10-15 ppm / ° C., the linear expansion coefficient of LN depends on the composition and orientation, but is about 2 ppm / ° C., which is almost an order of magnitude smaller. Therefore, the difference in strain due to temperature change is large, and the stress on the electrode mounting portion is large. However, if the thickness of the substrate 100 is about 10 μm or less, the thickness is much smaller than that of the RF electrode and its side ground electrode, and the substrate 100 is responsive to the distortion of the RF electrode and its side ground electrode. However, even if the substrate 100 is warped or undulated, since the substrate 100 is thin, the difference in expansion and contraction between the front surface and the back surface of the substrate 100 is small, so that the substrate 100 is hardly cracked.

〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態に係る導波路型光素子について説明する。
第1の実施形態に係る導波路型光素子10は、基板100上に誘電体層102が形成されものとしたが、第2の実施形態の導波路型光素子では、誘電体層の部分が、基板部分とが個別に作製された後、互いに機械的及び電気的に接続されることで作製される。
[Second Embodiment]
Next, a waveguide type optical element according to the second embodiment of the present invention will be described.
In the waveguide type optical element 10 according to the first embodiment, the dielectric layer 102 is formed on the substrate 100. However, in the waveguide type optical element according to the second embodiment, the portion of the dielectric layer is the same. The substrate portions are manufactured individually and then mechanically and electrically connected to each other.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る導波路型光素子の構成を示す図である。なお、図5並びに後述する図6及び図7において、図1、図2、図4と同一の構成要素については同一の符号を用いるものとし、上述した第1の実施形態における説明を援用するものとする。   FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a waveguide type optical element according to the second embodiment of the present invention. 5 and FIG. 6 and FIG. 7 to be described later, the same reference numerals are used for the same components as those in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 4, and the description in the first embodiment is used. And

本導波路型光素子50は、第1の実施形態に係る導波路型光素子10と同一の構成を有するが、誘電体層102に代えて誘電体層502を有する。   The waveguide type optical element 50 has the same configuration as the waveguide type optical element 10 according to the first embodiment, but includes a dielectric layer 502 instead of the dielectric layer 102.

図6は、誘電体層502の構成を示す図である。誘電体層502は、基板100とは個別に作製されるものである。誘電体層502は、誘電体層102と同様の構成を有するが、導体300a〜300h、302a〜302h、304a〜304hに代えて、誘電体層502の裏面(基板100と対向する側の面)にそれぞれ矩形のパッド部を備えた導体600a〜600h、602a〜602h、604a〜604hを有する。   FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the dielectric layer 502. The dielectric layer 502 is produced separately from the substrate 100. The dielectric layer 502 has the same configuration as that of the dielectric layer 102, but instead of the conductors 300a to 300h, 302a to 302h, and 304a to 304h, the back surface of the dielectric layer 502 (the surface facing the substrate 100). Have conductors 600a to 600h, 602a to 602h, and 604a to 604h each having a rectangular pad portion.

導体600a〜600h、602a〜602h、604a〜604hの各矩形パッド部には、例えばハンダバンプが形成されており、基板100と誘電体層502とは、フリップチップボンディングにより、互いに機械的及び電気的に接続される。   For example, solder bumps are formed on the rectangular pad portions of the conductors 600a to 600h, 602a to 602h, and 604a to 604h. The substrate 100 and the dielectric layer 502 are mechanically and electrically connected to each other by flip chip bonding. Connected.

図7は、基板100と誘電体層502との接続を説明するため、導体600d、602d、604dを含む誘電体層502の断面と、対応する基板100の断面とを示したものである。RF電極106、接地電極108a、108bにそれぞれ電気的に接続された導体600d、602d、604dの、誘電体層502の裏面(図示下側の面)に露出した部分には矩形のパッドが設けられており、当該矩形のパッドにハンダバンプ700〜704が設けられている。   FIG. 7 shows a cross section of the dielectric layer 502 including the conductors 600d, 602d, and 604d and a corresponding cross section of the substrate 100 in order to explain the connection between the substrate 100 and the dielectric layer 502. Rectangular pads are provided on the exposed portions of the conductors 600d, 602d, and 604d electrically connected to the RF electrode 106 and the ground electrodes 108a and 108b, respectively, on the back surface (lower surface in the drawing) of the dielectric layer 502. Solder bumps 700 to 704 are provided on the rectangular pad.

これにより、誘電体層502の図示裏面と基板100の図示上面とを密着させ、温度を上げてハンダバンプ700〜704を溶融させた後、冷却固化させることにより、導体600d、602d、604dと、中心導体セグメント204d、側方導体セグメント206d、208dとがそれぞれ電気的に接続されると共に、誘電体層502と基板100とが機械的に固定される。なお、このようなハンダバンプによる電気的接続と機械的固定は、導体600a〜600h、602a〜602h、604a〜604hでも行われて、導波路型光素子50は、第1の実施形態に係る導波路型光素子10と同様に構成されることとなる。   As a result, the illustrated back surface of the dielectric layer 502 and the illustrated top surface of the substrate 100 are brought into close contact with each other, the temperature is raised to melt the solder bumps 700 to 704, and then cooled and solidified, whereby the conductors 600d, 602d, 604d, The conductor segment 204d and the side conductor segments 206d and 208d are electrically connected to each other, and the dielectric layer 502 and the substrate 100 are mechanically fixed. Note that such electrical connection and mechanical fixing by solder bumps are also performed on the conductors 600a to 600h, 602a to 602h, and 604a to 604h, and the waveguide type optical element 50 is the waveguide according to the first embodiment. The same configuration as that of the type optical element 10 is performed.

本実施形態に係る導波路型光素子50では、基板100と誘電体層502とが個別に製造されるため、第1の実施形態に係る導波路型光素子10のように基板100上に誘電体層102を形成する構成に比べて、製造時に基板100にかかる応力を軽減することができる。このため、本実施形態に係る導波路型光素子50は、基板100における割れの発生を効果的に防止することができる。   In the waveguide type optical device 50 according to the present embodiment, the substrate 100 and the dielectric layer 502 are individually manufactured. Therefore, as in the waveguide type optical device 10 according to the first embodiment, a dielectric is formed on the substrate 100. Compared with the structure in which the body layer 102 is formed, the stress applied to the substrate 100 during manufacturing can be reduced. For this reason, the waveguide type optical element 50 according to the present embodiment can effectively prevent the substrate 100 from being cracked.

なお、上述した第1及び第2の実施形態においては、基板100としてXカットのLN基板を用いるものとしたが、これに限らず、ZカットのLN基板を用いてもよい。ZカットのLN基板を用いた場合には、光導波路に印加される電界が基板厚さ方向に向くように中心導体及び側方導体が配置される点が異なり、この場合においても、上述した実施形態における効果と同様の効果を奏するものとすることができる。   In the first and second embodiments described above, an X-cut LN substrate is used as the substrate 100. However, the present invention is not limited to this, and a Z-cut LN substrate may be used. When a Z-cut LN substrate is used, the central conductor and the side conductor are arranged so that the electric field applied to the optical waveguide is directed in the thickness direction of the substrate. The effect similar to the effect in a form can be show | played.

また、上述した実施形態では、基板100の一様な表面に並行導波路200、202(すなわち、中心導体204により印加される電界が光波に作用する作用部)が形成されるものとしたが、基板100上における光導波路並びに中心導体及び側方導体の形状及び配置は、図示の形状及び配置に限定されるものではない。例えば、上記作用部である並行導波路200、202を、リブ構造の光導波路としてもよい。すなわち、基板100の表面を加工することにより、上記作用部である並行導波路200、202が形成される基板100の部分が、その周囲の基板100の部分の表面よりも高く形成されているものとすることができる。このようなリブ構造の光層波路を用いることで、中心導体により発生する電界分布と光導波路を伝搬する光の強度分布との重なりを拡大して、駆動電圧を低減することが可能となり得る。   In the above-described embodiment, the parallel waveguides 200 and 202 (that is, the action part in which the electric field applied by the central conductor 204 acts on the light wave) is formed on the uniform surface of the substrate 100. The shapes and arrangements of the optical waveguide, the central conductor, and the side conductors on the substrate 100 are not limited to the illustrated shapes and arrangement. For example, the parallel waveguides 200 and 202 serving as the above-described working parts may be optical waveguides having a rib structure. That is, by processing the surface of the substrate 100, the portion of the substrate 100 on which the parallel waveguides 200 and 202, which are the working portions, are formed is higher than the surface of the surrounding portion of the substrate 100. It can be. By using the optical layer waveguide having such a rib structure, it is possible to enlarge the overlap between the electric field distribution generated by the central conductor and the intensity distribution of the light propagating through the optical waveguide, thereby reducing the driving voltage.

また、特許文献1のように作用部の電極を狭くしても良い。特許文献1に記載の作用部電極の構成では、信号電界と光電界の作用効率が高い上に、作用部電極のインピーダンスを高くすることができる。このため、当該作用部電極の構成を、上述した実施形態の基板100上に形成される電極として用いれば、RF電極106から作用部電極へ分岐給電される電力は小さくなり、RF電極106を伝搬するRF信号パワーの減衰は小さくなるので、高効率な変調効率を得ることができる。   Further, as in Patent Document 1, the electrode of the action part may be narrowed. In the configuration of the working electrode described in Patent Document 1, the working efficiency of the signal electric field and the optical electric field is high, and the impedance of the working electrode can be increased. For this reason, if the configuration of the working part electrode is used as an electrode formed on the substrate 100 of the above-described embodiment, the power that is branched and fed from the RF electrode 106 to the working part electrode is reduced and propagates through the RF electrode 106. Since the attenuation of the RF signal power to be reduced is small, a highly efficient modulation efficiency can be obtained.

10、50・・・導波路型光素子、100・・・基板、102、502・・・誘電体層、104・・・MZ型光導波路、106・・・RF電極、108a、108b・・・接地電極、200、202・・・並行導波路、204・・・中心導体、204a〜204h・・・中心導体セグメント、206、208・・・側方導体、206a〜206h、208a〜208h・・・側方導体セグメント、300a〜300h、302a〜302h、304a〜304h、600a〜600h、602a〜602h、604a〜604h・・・導体、700、702、704・・・ハンダバンプ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 50 ... Waveguide type optical element, 100 ... Substrate, 102, 502 ... Dielectric layer, 104 ... MZ type optical waveguide, 106 ... RF electrode, 108a, 108b ... Ground electrode, 200, 202 ... Parallel waveguide, 204 ... Center conductor, 204a-204h ... Center conductor segment, 206, 208 ... Side conductor, 206a-206h, 208a-208h ... Side conductor segments, 300a to 300h, 302a to 302h, 304a to 304h, 600a to 600h, 602a to 602h, 604a to 604h... Conductor, 700, 702, 704.

Claims (6)

電気光学効果を有する基板上に形成された光導波路と、当該光導波路を伝搬する光波を制御する制御電極と、を備える導波路型光素子であって、
前記基板の、前記制御電極が形成された面の上部に、誘電体層を有し、
前記誘電体層の、前記制御電極から遠い側の面上に、高周波信号が伝搬するRF電極と、当該RF電極を所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように設けられた接地電極と、が形成されており、
前記制御電極は、中心導体と、当該中心導体を所定の距離だけ隔てて前記基板の面方向において挟むように形成された側方導体と、で構成され、且つ、前記中心導体と前記側方導体とは、それぞれ、前記光導波路の長さ方向に沿って電気的に互いに絶縁されるように複数のセグメントに分割されており、
前記中心導体の前記各セグメントは、前記誘電体層に形成されたRF電極に対し、当該RF電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されており、
前記側方導体のそれぞれの前記各セグメントは、前記誘電体層に形成された接地電極のそれぞれに対し、当該接地電極の長さ方向に沿って異なる部分に電気的に接続されている、
導波路型光素子。
A waveguide-type optical element comprising an optical waveguide formed on a substrate having an electro-optic effect, and a control electrode that controls a light wave propagating through the optical waveguide,
A dielectric layer on an upper surface of the substrate on which the control electrode is formed;
On the surface of the dielectric layer far from the control electrode, an RF electrode through which a high-frequency signal propagates and a ground electrode provided so as to sandwich the RF electrode by a predetermined distance in the surface direction of the substrate And are formed,
The control electrode includes a center conductor and a side conductor formed so as to sandwich the center conductor by a predetermined distance in the plane direction of the substrate, and the center conductor and the side conductor And is divided into a plurality of segments so as to be electrically insulated from each other along the length direction of the optical waveguide,
Each segment of the central conductor is electrically connected to a different part along the length direction of the RF electrode with respect to the RF electrode formed in the dielectric layer,
Each segment of each of the side conductors is electrically connected to a different portion along the length direction of the ground electrode with respect to each of the ground electrodes formed in the dielectric layer.
Waveguide type optical element.
前記中心導体の前記各セグメント及び前記側方導体の前記各セグメントの、前記光導波路の長さ方向に沿った長さは、前記RF電極に入力される高周波信号の当該RF電極における波長の1/10以下である、
請求項1に記載の導波路型光素子。
The lengths of the segments of the central conductor and the segments of the side conductors along the length direction of the optical waveguide are 1 / wavelength of the high-frequency signal input to the RF electrode at the RF electrode. 10 or less,
The waveguide type optical device according to claim 1.
前記誘電体層の厚さは、50μm以上である、
請求項1又は2に記載に記載の導波路型光素子。
The dielectric layer has a thickness of 50 μm or more.
The waveguide type optical element according to claim 1 or 2.
前記基板は、ニオブ酸リチウム基板である、
請求項1ないし3のいずれか一項に記載の導波路型光素子。
The substrate is a lithium niobate substrate;
The waveguide type optical device according to any one of claims 1 to 3.
前記光導波路は、マッハツェンダ型の光導波路である、
請求項1ないし4のいずれか一項に記載の導波路型光素子。
The optical waveguide is a Mach-Zehnder type optical waveguide.
The waveguide type optical device according to any one of claims 1 to 4.
前記光導波路は、前記中心導体により印加される電界が光波に作用する作用部を有し、
前記光導波路は、前記作用部が形成された前記基板の部分がその周囲の前記基板の部分の表面よりも高く形成されているリブ型構造の光導波路である、
請求項1ないし5のいずれか一項に記載の導波路型光素子。
The optical waveguide has an action part in which an electric field applied by the central conductor acts on a light wave,
The optical waveguide is an optical waveguide having a rib-type structure in which the portion of the substrate on which the action portion is formed is formed higher than the surface of the portion of the substrate around it.
The waveguide type optical device according to any one of claims 1 to 5.
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