JP2018173440A - 電気光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光損失が生じにくい電気光学素子を提供する。【解決手段】基板と、電気光学効果を有する有機高分子材料を形成材料として含み、光導波路が設けられた導波路層と、基板と導波路層との間に設けられた接地電極と、導波路層上に設けられた帯状の信号電極と、信号電極と導波路層との間に設けられた応力緩和層と、を備え、信号電極は光導波路の一部と平面的に重なり、応力緩和層は、信号電極と光導波路とが平面的に重なった領域に少なくとも設けられ、応力緩和層の形成材料の熱膨張係数は、導波路層の形成材料の熱膨張係数よりも大きい電気光学素子。【選択図】図２

Description

本発明は、電気光学素子に関するものである。

近年、高速かつ大容量の光ファイバ通信システムの進歩に伴い、外部変調器に代表されるように、導波路型光学素子を用いた電気光学素子が実用化され、広く用いられるようになってきている。このような電気光学素子として、電気光学効果を有する有機高分子材料（有機電気光学高分子）を用いて形成した高分子導波路層を、金属材料等で形成される信号電極及び下部接地電極により上下方向から挟んだ構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１４５４７５号公報

上述のような電気光学素子は、設置環境が高温である場合や、周囲に配置された機器が駆動発熱を発する場合など、高温環境下で用いる場合がある。そのような場合、高分子導波路層を形成する有機電気光学高分子と、信号電極を形成する金属材料とは熱膨張量が異なるため、導波路層と信号電極との熱膨張量に差が生じることとなる。この熱膨張量の差に起因して、導波路層にはひずみが生じるおそれがある。

また、電気光学素子を使用する際、電極では通電による抵抗発熱が生じ得るが、このような熱も上記導波路層のひずみの原因になり得る。さらに、素子作製時や電気光学素子の実装時に、電気光学素子に加わる熱も同様に上記導波路層のひずみに原因になり得る。

ここでは、有機電気光学高分子と金属材料との熱膨張量の差を例に挙げたが、金属材料に限らず、有機電気光学高分子と熱膨張量に違いがある材料を電極の形成材料として用いた電気光学素子においては、同様の課題が生じるおそれがある。

高分子導波路層を有する電気光学素子において、高分子導波路層の歪みは、素子の光伝搬特性の低下、すなわち光損失につながるおそれがある。そのため、改善が求められていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、光損失が生じにくい電気光学素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、基板と、電気光学効果を有する有機高分子材料を形成材料として含み、光導波路が設けられた導波路層と、前記基板と前記導波路層との間に設けられた接地電極と、前記導波路層上に設けられた帯状の信号電極と、前記信号電極と前記導波路層との間に設けられた応力緩和層と、を備え、前記信号電極は前記光導波路の一部と平面的に重なり、前記応力緩和層は、前記信号電極と前記光導波路とが平面的に重なった領域に少なくとも設けられ、前記応力緩和層の形成材料の熱膨張係数は、前記導波路層の形成材料の熱膨張係数よりも大きい電気光学素子を提供する。

本発明の一態様においては、前記導波路層は、前記光導波路を含むコア層と、前記コア層の形成材料よりも低屈折率の材料を形成材料とするクラッド層と、を有し、前記コア層および前記クラッド層の少なくともいずれか一方は、前記電気光学効果を有する有機高分子材料を形成材料とし、前記応力緩和層の形成材料の熱膨張係数は、前記導波路層を構成する各層の形成材料の熱膨張係数のうちの最大値よりも大きい構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記応力緩和層は、前記信号電極と平面的に重なる領域に設けられている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記応力緩和層は、前記導波路層の上面全面に設けられている構成としてもよい。

本発明の一態様においては、前記応力緩和層のガラス転移温度は、前記導波路層の形成材料のガラス転移点よりも低い構成としてもよい。

本発明によれば、光損失が生じにくい電気光学素子を提供することができる。

本実施形態に係る電気光学素子を示す概略斜視図。 電気光学素子の積層構造を示す説明図。 電気光学素子の変形例を示す図。 電気光学素子の変形例を示す図。 電気光学素子の変形例を示す図。

以下、図１〜図５を参照しながら、本実施形態に係る電気光学素子１００Ａについて説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態に係る電気光学素子１００Ａを示す概略斜視図である。図２は、電気光学素子１００Ａの積層構造を示す説明図であり、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける矢視断面図である。

図１，２に示すように、本実施形態の電気光学素子１００Ａは、基板５０と、導波路層１と、信号電極５と、下部接地電極（接地電極）９と、応力緩和層１０と、を備えている。

導波路層１は、基板５０側に凸形状をなす逆リッジ型の光導波路１Ａを備えている。

また、信号電極５および下部接地電極９において、光導波路１Ａ内を伝搬する伝搬光に電気信号を作用させる領域の構造は、マイクロストリップライン（ＭＳＬ）となっている。また、信号電極５および下部接地電極９において、電気信号の入力部は、コプレーナ線路（ＣＰＷ）となっている。すなわち、信号電極５および下部接地電極９は、全体としてＣＰＷ−ＭＳＬ変換回路である。

電気光学素子１００Ａは、平面視矩形を呈し、ＣＰＷ−ＭＳＬ変換回路を備えた光変調器である。
以下、各構成について詳細に説明する。

（基板）
基板５０は、光導波路を形成するのに十分な平坦性を有しており、かつ機械的に十分な強度を有するものであれば、材質、形状とも特に限定されない。基板５０としては、例えば、シリコン基板、石英基板、ガラス基板、セラミック基板等を用いることができる。また、基板５０としては、シリコン基板や石英基板が好ましい。

基板５０の厚みは、例えば、０．３〜２ｍｍ程度である。

（導波路層）
基板５０の上方には、有機電気光学高分子を形成材料として含む導波路層１が形成されている。導波路層１は、光導波路１Ａを有する。

導波路層１は、コア層２、下部クラッド層３および上部クラッド層４によって構成されておいる。コア層２は、下部クラッド層３および上部クラッド層４に挟持されている。

コア層２、下部クラッド層３および上部クラッド層４は、それぞれ、少なくとも１種類以上の有機高分子材料を含有している。有機高分子材料としては、光導波路１Ａを伝播する光に対して高い透過率を有するものであれば用いることができる。

また、コア層２の屈折率は、下部クラッド層３および上部クラッド層４の屈折率よりも高いこととする。これにより、コア層２において光導波路１Ａを伝播する光が伝播する。

上記有機高分子材料としては、例えば、ポリメチルメタクリレートなどのアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリキノリン系樹脂、ポリキノキサリン系樹脂、ポリベンゾオキサゾール系樹脂、ポリベンゾチアゾール系樹脂、ポリベンゾイミダゾール系樹脂などが挙げられる。

上記有機高分子材料には、必要に応じて、有機微粒子や無機微粒子等の他の成分を添加して、下部クラッド層３、コア層２および上部クラッド層４の屈折率や機械特性などを調整することが可能である。

コア層２、下部クラッド層３および上部クラッド層４の少なくとも１つの層は、電気光学効果を有する有機高分子材料を形成材料とする。具体的には、コア層２、下部クラッド層３および上部クラッド層４の少なくとも１つの層は、非線形光学特性を示す有機化合物（以下、「非線形光学有機化合物」と言う。）を含む。これにより、導波路層１に電気光学効果を付与することができる。

非線形光学有機化合物は、上述の有機高分子材料への添加、または上述の有機高分子材料の側鎖または主鎖への化学結合により、有機高分子材料に導入することができる。

非線形光学有機化合物は、公知のものであれば特に限定されないが、１分子中に、電子供与性を有する原子団（以下、「ドナー」と言う。）と、電子吸引性を有する原子団（以下、「アクセプター」と言う。）との両方を有しており、ドナーとアクセプターの間に、π電子共役系の原子団を配している構造を有した分子が望ましい。このような分子としては、具体的には、Ｄｉｓｐｅｒｓｅ Ｒｅｄ類、Ｄｉｓｐｅｒｓｅ Ｏｒａｎｇｅ類、スチルベン化合物などが挙げられる。

コア層２、下部クラッド層３、上部クラッド層４は、上述の有機高分子材料、非線形光学有機化合物を有機溶媒に溶解させた溶液を用い、公知の塗布方法を用いて基板５０に塗布することで形成することができる。塗布方法としては、スピンコート法、スプレーコート法、ディップコート法、インプリンティング法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法等の公知の技術を用いることができ、特にスピンコート法等が好ましい。

上記有機溶媒は、アルコール類、ケトン類、エステル類、エーテル類、芳香族炭化水素類、脂肪族炭化水素類等から、溶解性や成膜性などを考慮して自由に選択することができる。これらの有機溶媒は、単独で用いることとしてもよく、２種類以上を混合して用いることとしてもよい。

上記溶液を塗布した後には、得られた塗膜を乾燥させることが好ましい。乾燥は、送風、減圧、加熱、およびこれらの組合せにより行うとよい。

（電気光学効果の発現）
このようにしてコア層２、下部クラッド層３、上部クラッド層４を積層して得られる光導波路１Ａは、導波路層１に含まれる非線形光学有機化合物を配向させる処理（ポーリング）を施されることにより、電気光学効果を発現する。

具体的には、非線形光学有機化合物を含有する有機高分子材料のガラス転移点Ｔｇを基準とし、導波路層１を当該ガラス転移点付近の温度に加熱する。加熱した状態で、非線形光学有機化合物を含有する層に対して、５０Ｖ／μｍ以上、好ましくは８０Ｖ／μｍ以上の電界を印加し、電圧印加を維持したまま室温にまで冷却する。これにより、導波路層１は、１０〜３００ｐｍ／Ｖの範囲の電気光学定数（ＥＯ定数）を有するものとなる。

導波路層１において、コア層２の厚みは０．１μｍ以上１０．０μｍ以下、下部クラッド層３および上部クラッド層４の厚みは０．５μｍ以上２０．０μｍ以下であると好ましい。これら各層の厚みは、（ｉ）伝搬させる光の波長、（ii）コア層２、下部クラッド層３および上部クラッド層４の屈折率、に応じて適宜制御するとよい。

導波路層１は、基板５０側に向けて凸形状を有する逆リッジ型の光導波路１Ａを有する。リッジ型の光導波路１Ａは、まず、下部クラッド層３にドライエッチングなどにより、光導波路１Ａのリッジ部となるトレンチ３１を形成し、次いで、トレンチ３１が形成された下部クラッド層３にコア層２を積層することで形成することができる。

光導波路１Ａの形状は、特に限定されないが、スラブ型、チャネル型、リッジ型、リブ型等が挙げられる。

本実施形態の電気光学素子１００Ａにおいて、光導波路１Ａは、平面視した視野における素子の長手方向に直線的に形成されている。しかし、本発明の電気光学素子１００Ａは直線型素子に限らず、Ｙ分岐型素子、方向性結合型素子、マッハツェンダー干渉型素子、ファブリペロー共振器型素子、分極反転型素子等、種々の形態・用途に合わせて用いることができる。

（電極）
本実施形態の電気光学素子１００Ａは、信号電極５、下部接地電極（接地電極）９、下部接地電極９と電気的に接続した上部接地電極６〜８とを有する。

信号電極５は、導波路層１の上に設けられた帯状の電極である。信号電極５は、光導波路１Ａの一部と平面的に重なり、光導波路１Ａを伝搬する光に電気信号を作用させて光を変調する。また、信号電極５は一部が屈曲し、端部５ａ，５ｂが光導波路１Ａと交差する方向の同方向に延在している。端部５ａ、５ｂは、電気光学素子１００Ａの周縁部に配置されている。

上部接地電極６〜８は、上部クラッド層４の表面に形成されており、後述の下部接地電極９と電気的に接続している。上部接地電極６，７は、信号電極５の端部５ａを挟持するように配置されている。また、上部接地電極７，８は、信号電極５の端部５ｂを挟持するように配置されている。上部接地電極６〜８の形成材料としては、信号電極５と同様のものを用いることができる。

下部接地電極９は、基板５０と導波路層１との間に設けられている。下部接地電極９の形成材料としては、信号電極５と同様のものを用いることができる。

下部接地電極９は、端部５ａ，５ｂと平面的に重なる位置に多角形状の切欠き９ａが形成されている。図では、切欠き９ａの形状は五角形であることとして示している。

信号電極５、上部接地電極６〜８、下部接地電極９は、例えば、導電性を有する無機材料を形成材料とする。
信号電極５、上部接地電極６〜８、下部接地電極９は、高周波において良好な導電性を有する材料、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）の群から選択される１種または２種以上を含有しているものを用いることが、実用上好ましい。

信号電極５、下部接地電極９の材料は導電性が良好であればよく、金属に限定されない。素子の使用温度が制限されるが、超伝導材料を用いてもよい。

光導波路にかかる高周波信号の電界を高めるためには、下部クラッド層３、上部クラッド層４を薄くして信号電極５と下部接地電極９の間隔を小さくすることが有効であるが、光導波路を伝搬する光の損失の増大を伴う。この光損失を低減する方法として、信号電極５下部接地電極９に、小さな光の吸収損失と良好な導電性を兼ね備える導電性材料、いわゆる透明電極材料を用いることもできる。このような導電性材料としては、スズ添加酸化インジウム（Indium Tin Oxide:ＩＴＯ）、アンチモン添加酸化インジウム（Antimony Tin Oxide:ＡＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等からなる透明電極が好ましい。

信号電極５、上部接地電極６〜８、下部接地電極９の膜厚は、高周波信号における表皮効果を考慮すると、１μｍ以上であることが好ましい。

信号電極５の幅は、良好な電界効率を確保するには、コア層２に形成された光導波路１Ａの幅より広ければよく、特に限定されない。素子の良好な高周波応答性を確保するには、コア層、クラッド層の材料の誘電率、厚みを考慮し、高周波線路として適した特性インピーダンスとなるように電極幅と厚みとを設計することが好ましい。図１に示した電気光学素子のように、特性インピーダンスの調整のために、部分的に下部接地電極９を切り欠いた構造としてもよい。

応力緩和層１０は、信号電極５と導波路層１との間に設けられている。本実施形態において、応力緩和層１０は、信号電極５と光導波路１Ａとが平面的に重なった領域に少なくとも設けられている。

応力緩和層１０の形成材料の熱膨張係数は、導波路層１の形成材料の熱膨張係数よりも大きくなるように設計されている。そのため、電気光学素子１００Ａを高温環境下で用いる場合であっても、有機電気光学高分子を形成材料とする導波路層１と、金属材料や導電性金属酸化物を形成材料とする信号電極５との熱膨張量の差に起因したひずみを抑制できる。これにより、光導波路１Ａの特性低下や、導波路層１の剥離等の不具合を抑制することができる。

本実施形態の電気光学素子１００Ａのように、導波路層１が複数層の積層構造を有する場合、応力緩和層１０の形成材料の熱膨張係数は、コア層２の形成材料の熱膨張係数および下部クラッド層３、上部クラッド層４の形成材料の熱膨張係数のうちの最大値よりも大きくなるように設計されている。

このような応力緩和層１０の形成材料としては、コア層２、下部クラッド層３、上部クラッド層４の形成材料として例示した樹脂材料を好適に用いることができる。上記樹脂材料の中から、導波路層１の形成材料の熱膨張係数との関係に基づいて応力緩和層１０の形成材料を選択するとよい。

また、応力緩和層１０のガラス転移点は、導波路層１の形成材料のガラス転移点よりも低いことが好ましい。

応力緩和層１０は、通常知られた成膜技術を用いて導波路層１の表面に形成することができる。
本実施形態の電気光学素子１００Ａは、以上のような構成となっている。

以上のような構成の電気光学素子１００Ａは、導波路層１と信号電極５との熱膨張率の差に起因した光導波路１Ａのひずみが生じにくく、光損失が少ない高性能なものとなる。

また、電気光学素子１００Ａは、信号電極５の直下に応力緩和層１０を設ける構造となっている。そのため、信号電極５と導波路層１との界面に生じる応力を緩和しやすい。特に、高周波信号を入力するための信号配線は、図２の視野における信号電極５の幅（図２の視野における導波路層１の面方向での幅）が数μｍ〜数十μｍと細い。加えて、図１に示すように、高周波信号を入力するための信号配線は、部分的に曲線部分を有する形状となる。

このような信号配線は、局所的な応力差を発生させやすく、信号配線の周囲に歪みを生じさせやすい。そのため、このような信号配線の直下に形成された光導波路は、信号配線の近傍に生じる歪みの影響を受けやすい。

本実施形態の構成は、このような細い信号電極５を有する電気光学素子において、高い効果を発揮する。

なお、本実施形態においては、一例として、図１，２のように応力緩和層１０を導波路層１の上面に形成し、信号電極５と光導波路１Ａとが平面的に重なった領域に少なくとも設けられている構成としたが、これに限らない。

図３〜５は、電気光学素子の変形例を示す図である。図３は、上述の図２に対応する概略断面図である。図４，５は、図１に対応する概略斜視図である。

まず、本実施形態においては、応力緩和層１０を導波路層１の上面に形成することとしたが、図３に示す電気光学素子１００Ｂのように、導波路層１の上面を一部掘り下げ、形成した凹部の内部に応力緩和層を埋設する構成としても構わない。

また、本実施形態においては、信号電極５と光導波路１Ａとが平面的に重なった領域に少なくとも設けられている構成としたが、図４に示す電気光学素子１００Ｃのように、信号電極５と平面的に重なる領域には、応力緩和層１１が設けられている構成としてもよい。電気光学素子１００Ｃでは、信号電極５の下方には必ず応力緩和層１１が設けられている。応力緩和層１１としては、上述の応力緩和層１０と同様の形成材料を採用することができる。

このような構成では、信号電極５の形成された位置では常に応力緩和層１０が存在しているため、図１，２の電気光学素子１００Ａと比べて信号電極５の周辺での電気特性が変化しにくい。したがって、電気光学素子１００Ｃは、電気光学素子１００Ａの効果に加え、信号電極５に信号電流を供給する際のインピーダンスマッチングが容易となり好ましい。

また、図５に示す電気光学素子１００Ｄのように、応力緩和層１２を導波路層１の上面全面に形成することとしても構わない。応力緩和層１２としては、上述の応力緩和層１０と同様の形成材料を採用することができる。電気光学素子１００Ｄは、電気光学素子１００Ａ，１００Ｃの効果に加え、応力緩和層１２を形成しやすいため好ましい。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…導波路層、１Ａ…光導波路、２…コア層、３…下部クラッド層（クラッド層）、４…上部クラッド層（クラッド層）、５…信号電極、９…下部接地電極（接地電極）、１０，１１，１２…応力緩和層、５０…基板、１００Ａ〜１００Ｄ…電気光学素子

Claims (5)

1. 基板と、
   電気光学効果を有する有機高分子材料を形成材料として含み、光導波路が設けられた導波路層と、
   前記基板と前記導波路層との間に設けられた接地電極と、
   前記導波路層上に設けられた帯状の信号電極と、
   前記信号電極と前記導波路層との間に設けられた応力緩和層と、を備え、
   前記信号電極は前記光導波路の一部と平面的に重なり、
   前記応力緩和層は、前記信号電極と前記光導波路とが平面的に重なった領域に少なくとも設けられ、
   前記応力緩和層の形成材料の熱膨張係数は、前記導波路層の形成材料の熱膨張係数よりも大きい電気光学素子。
2. 前記導波路層は、前記光導波路を含むコア層と、
   前記コア層の形成材料よりも低屈折率の材料を形成材料とするクラッド層と、を有し、
   前記コア層および前記クラッド層の少なくともいずれか一方は、前記電気光学効果を有する有機高分子材料を形成材料とし、
   前記応力緩和層の形成材料の熱膨張係数は、前記導波路層を構成する各層の形成材料の熱膨張係数のうちの最大値よりも大きい請求項１に記載の電気光学素子。
3. 前記応力緩和層は、前記信号電極と平面的に重なる領域に設けられている請求項１または２に記載の電気光学素子。
4. 前記応力緩和層は、前記導波路層の上面全面に設けられている請求項３に記載の電気光学素子。
5. 前記応力緩和層のガラス転移点は、前記導波路層の形成材料のガラス転移点よりも低い請求項１から４のいずれか１項に記載の電気光学素子。

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