JP3559170B2

JP3559170B2 - 導波路型光デバイス

Info

Publication number: JP3559170B2
Application number: JP21265698A
Authority: JP
Inventors: 臣一下津; 哲及川; 勉斉藤
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: JP2000047159A

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、ニオブ酸リチウム等の電気光学効果を有する材質からなる基板上に光導波路、接地電極および信号電極が形成されている導波路型光デバイスの実装構造に関するものであり、特に、高速長距離用に適した導波路型光デバイスの実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気光学効果を有する材質からなる基板上に接地電極、信号電極および光導波路を形成し、信号電極にマイクロ波信号電圧を印加し、光導波路を伝搬する光波を変調する変調器が知られている。図１は、こうした変調器の一例を示す平面図である。この導波路型光デバイス１は、いわゆるマッハツェンダー型の変調器である。基板２はニオブ酸リチウム等の電気光学単結晶からなっている。基板２の主面には、例えばチタン拡散光導波路３が形成されている。この光導波路３は、入力側の端面２ｃと出力側の端面２ｄとの間に延びており、入力部分３ａ、分岐部分３ｂおよび結合部分３ｃを備えている。２ａ、２ｂは側面である。また、基板２の主面に、特定形状の接地電極４、６と、信号電極５とが設けられている。各接地電極４、６と信号電極５との間は、絶縁領域である。この変調器においては、動作速度を一層向上させる目的で、いわゆるコプレナーウエーブガイド型（ＣＰＷ）の形態を有する接地電極および信号電極を使用している。
【０００３】
こうした導波路型光デバイスは、適切な筺体に対して機械的に固定し、電気的に接続する必要がある。このように導波路型光デバイスを筺体に実装する方法は幾つか知られている。即ち、高周波信号発生器７を同軸ケーブル８等の供給手段に接続し、供給手段を信号電極５の結合部５ｂに対して接続する。また、信号電極５の他方の端部５ｃを、通常は５０Ωの終端抵抗９に接続する。１０はアースである。
【０００４】
同軸ケーブルの末端に設けられている高周波コネクタの接続部分は、通常図２に示す形態をしている。高周波コネクタの中心導体１３が円柱形状の保持部１１によって保持されており、保持部１１が、図示しない筺体の内部にほぼ埋設されている。保持部１１の外周面には、シールド導体である外部グランド１２が設けられている。中心導体１３の先端部分に、保持具１４によって平板形状の基板接続用導体１５が固定されており、基板接続用導体１５が、信号電極５の結合部５ｂに対して接続されている。
【０００５】
この変調器を動作させる際には、信号発生器からのマイクロ波信号電圧を高周波コネクタを介して信号電極５に印加し、終端抵抗９によって終端処理する。具体的には、信号発生器７からの信号を同軸ケーブル８によって取り出し、基板接続用導体１５を介して信号電極５に印加する。このマイクロ波信号電圧によって、信号電極５の制御部５ａと接地電極４、６との間に電界が発生する。基板２は電気光学効果を有しているので、信号電極と接地電極との間の電界によって、分岐部分３ｂの間に屈折率の差が発生し、この結果、各分岐部分３ｂをそれぞれ伝搬する光波の位相に、ずれが発生する。この位相差が２ｍπラジアン（ｍは整数）になった場合には、光導波路３の合波部で導波モードが励起され、光出力が「ＯＮ」状態になる。一方、各光導波路３ｂをそれぞれ伝搬する光波の位相差が（２ｍπ−１）ラジアンになった場合には、光導波路３の合波部で高次モードが励起され、光出力が「ＯＦＦ」状態になる。
【０００６】
こうした導波路型光デバイスにおいては、コプレナーウエーブガイド型の信号電極５および接地電極４、６を、変調用のマイクロ波信号電圧を供給するための変調電極として構成している。従って、これらの導体４、５、６を伝搬する変調用のマイクロ波信号電圧と、光導波路３内を伝搬する光との間に速度差がないものと仮定すると、光変調帯域には制限はないはずである。しかし、現実には、各電極の内部で伝搬損失があり、またマイクロ波信号電圧と光との間に速度差があるために、変調帯域が制限されている。
【０００７】
こうした導波路型光デバイスにおいては、特定の周波数において、いわゆる「ロスディップ」と呼ばれる伝送特性が劣化する問題があった。こうした変調器の使用可能な周波数帯域は、ロスディップの生ずる周波数以下に制限される。
【０００８】
本発明者らは、特開平１０−１２３４７２号公報において、高周波領域におけるロスディップを減少させる実装構造を提案した。また、「ＴＥＣＨＮＩＣＡＬＲＥＰＯＲＴ新材料と光エレクトロニクス１９９７」第３１−３４頁の「４０Ｇｂ／ｓＬＮ強度変調器」によれば、特定の実装構造を採用することによって、４０Ｇｂ／ｓまでの広帯域において、ロスディップの発生を防止できることを開示した。
【０００９】
しかし、前記文献「４０Ｇｂ／ｓＬＮ強度変調器」にも記載されているように、４０−５０ＧＨｚの領域では特性インピーダンスが低下するという問題があった。具体的には、例えば４０ＧＨｚにおいて、強度変調器の特性インピーダンスは、約２２Ωにまで低下していたために、ＲＦ反射特性が低下し、変調器の動作電圧の増加を招くことが分かった。文献「４０Ｇｂ／ｓＬＮ強度変調器」においては、インピーダンスの整合のために、約３３Ωとなる緩衝部分を設けることを試みており、これによって４０−５０ＧＨｚにおけるＲＦ反射特性を−１０ｄＢ程度にまで抑圧することに成功した。しかし、逆に０−２０ＧＨｚにおける反射特性が逆に劣化していた。
【００１０】
本発明の課題は、光波を伝搬させるための光導波路が形成されている基板と、光波を制御するために基板上に設けられている進行波型信号電極と、接地電極とを備えている導波路型光デバイスを、高周波コネクタに対して結合し、実装するのに際して、例えば０−５０ＧＨｚといった極めて広い周波数領域にわたって、良好なＲＦ反射特性および伝送特性を得ることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光波を伝搬させるための光導波路が形成されている基板と、光波を制御するために基板上に設けられている進行波型の信号電極と、接地電極とを備えている導波路型光デバイスであって、
導波路型光デバイスが、高周波信号の入力部分と出力部分とを備えており、前記入力部分には、高周波信号が印加される前記信号電極の入力結合部が設けられており、前記出力部分には、終端抵抗に接続される信号電極の出力結合部が設けられており、
前記入力結合部及び前記出力結合部の少なくとも一方は、前記基板に対して接合されている接合部分と、前記基板から離隔して前記基板との間に空隙を挟むようにして設けられた浮上部分とを有し、
前記空隙は、前記入力部分及び前記出力部分の少なくとも一方のインピーダンスを調整する調整手段として機能することを特徴とする、導波路型光デバイス（第１の導波路型光デバイス）に関する。
また、本発明は、
光波を伝搬させるための光導波路が形成されている基板と、光波を制御するために基板上に設けられている進行波型の信号電極と、接地電極とを備えている導波路型光デバイスであって、
導波路型光デバイスが、高周波信号の入力部分と出力部分とを備えており、前記入力部分には、高周波信号が印加される前記信号電極の入力結合部が設けられており、前記出力部分には、終端抵抗に接続される信号電極の出力結合部が設けられており、
前記基板上において前記基板の誘電率よりも低い誘電率の低誘電率層が設けられており、前記入力結合部及び前記出力結合部の少なくとも一方が、前記基板に対して接合されている接合部分と、前記低誘電率層上に設けられている低インピーダンス部分とを具えており、
前記低誘電率層は、前記入力部分及び前記出力部分の少なくとも一方のインピーダンスを調整する調整手段として機能することを特徴とする、導波路型光デバイス（第２の導波路型光デバイス）に関する。
【００１２】
本発明者は、高周波信号の入力部分に、信号電極の入力結合部を設け、出力部分に、信号電極の出力結合部を設けた場合に、入力部分と出力部分との少なくとも一方に、入力結合部または出力結合部のインピーダンスを調整する調整手段を、信号電極とは別に設けることによって、実際に、例えば０−５０ＧＨｚといった極めて広い周波数領域にわたって、ＲＦ反射特性および伝送特性が著しく改善され、フラットな周波数特性が得られることを見いだし、本発明に到達した。
【００１３】
即ち、同軸ケーブルからコプレナー線路への変換を行う場合、あるいはコプレナー線路から同軸ケーブルへの変換を行う場合に、同軸ケーブルの先端部の外径は例えば３００μｍであり、最適設計されたコプレナー線路の寸法は例えば約７μｍであって、大きな差がある。従来は、信号電極の末端結合部を、図１に示すようなテーパー形状とすることによって、この差を吸収していたが、このテーパー形状それ自体が周波数特性を持っていることから、変調帯域の上限は、実用的には２０ＧＨｚであった。このため、従来は、前述した先行特許にも記載されているように、高周波コネクタ側に工夫を施すか、高周波コネクタと信号電極との接続方法に改善を施すか、あるいは外部にインピーダンス調整回路を付加していた。
【００１４】
これに対して、本発明においては、基板上の信号電極の末端結合部において、信号電極とは別にインピーダンスの調整手段を設けたことに特徴がある。これまでは前述のように信号電極の結合部にテーパー構造を設けることでインピーダンスを調整しており、これに加えて基板の外部でインピーダンス整合を図っていたため、本発明のように、導波路型光デバイスの入力部分および／または出力部分において、信号電極の末端結合部のインピーダンスを増減させる手段を、信号電極とは別に設けるという思想は、まったく新しいものである。
【００１５】
基板の材質としては、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等の電気光学結晶が特に好ましい。
【００１６】
光導波路の形成方法としては、チタン拡散法等の内拡散法やプロトン交換法を利用できる。また、本発明の導波路型光デバイスは、光変調器、光位相変調器、偏波スクランブラ、光スイッチング素子、光コンピューター用の光論理素子等として好適に使用できる。
【００１７】
図３は、本発明の一実施形態に係る導波路型光デバイスと高周波コネクタとの接続部分を概略的に示す部分破断斜視図であり、図４は、この導波路型光デバイスの平面図であり、図５（ａ）−（ｃ）は、各デバイス２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを示す、図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【００１８】
図３、図４において、図１、図２と同じ部分には同じ符号を付け、その説明は省略する。本例の導波路型光デバイス２１Ａ（２１Ｂ、２１Ｃ）においては、信号電極２５は、光導波路の分岐部分３ｂとほぼ平行に延びる制御部分２５ａと、高周波信号が印加される入力結合部４３と、終端抵抗に接続される出力結合部５３とを備えている。信号電極２５および接地電極４、６は、基板の主面上に、本例では絶縁バッファー層２３を介して設けられている。例えば図５（ａ）に示すように、デバイス２１Ａの入力結合部４３と出力結合部５３とは、基板から立ち上がった立ち上がり部２５ｂと、基板から離れた浮上部分２５ｃとを備えており、浮上部分２５ｃと基板との間には、調整手段である空隙２６が設けられており、これらがデバイス２１Ａの入力部分２４や出力部分３４をそれぞれ構成している。調整手段である空隙２６は、図４に示すように入力部分２４と出力部分３４との双方に設けることが最も好ましいが、入力部分２４または出力部分３４に設けてもよい。図３に示すように、浮上部分２５ｃに対して、基板接続用導体１５が接続されている。
【００１９】
図５（ｂ）に示すように、導波路型光デバイス２１Ｂは、基板上に、他の部分の絶縁バッファー層よりも厚い、調整手段である低誘電率層２７と、低誘電率層２７と絶縁バッファー層との段差の立ち上がり部２５ｂと低誘電率層２７との上に位置する低インピーダンス部２５ｃとが設けられており、これらがデバイス２１Ａの入力部分２４または出力部分３４を構成している。調整手段である低誘電率層２７は、入力部分２４と出力部分３４との双方に設けることが最も好ましいが、入力部分２４または出力部分３４に設けてもよい。低インピーダンス部２５ｃに対して、基板接続用導体１５が接続されている。
【００２０】
図５（ｃ）に示すデバイス２１Ｃの入力部分２４や出力手段３４においては、基板上に、絶縁バッファー層２３と、調整手段である低誘電率層２８とが積層されており、低誘電率層２８の段差部分には、立ち上がり部２５ｂが設けられており、低誘電率層２８上には低インピーダンス部２５ｃが設けられている。調整手段である低誘電率層２８は、入力部分２４と出力部分３４との双方に設けることが最も好ましいが、入力部分２４または出力部分３４に設けてもよい。
【００２１】
このように信号電極の入力部分と出力部分の一方または双方において、信号電極と基板との間に、調整手段である空隙や低誘電率層を介在させることによって、この部分の特性インピーダンスを調整できる。低誘電率層２７、２８の材質は、絶縁性であり、かつ基板よりも低い誘電率を有していなければならず、低誘電率層の比誘電率は、１１以下であることが好ましい。低誘電率層を構成する材質は、具体的には、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、テフロン、サファイヤ、Ａｌ２Ｏ３から選択することが好ましい。
【００２２】
図６は、本発明の他の実施形態に係る導波路型光デバイスと高周波コネクタとの接続部分を概略的に示す部分破断斜視図であり、図７は、この導波路型光デバイスの平面図であり、図８（ａ）は、図７のＶＩＩＩａ−ＶＩＩＩａ線断面図であり、図８（ｂ）は、図７のＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線断面図である。
【００２３】
本例の導波路型光デバイス３１Ａにおける、信号電極３５および接地電極４、６は、基板の主面上に、絶縁バッファー層２３を介して設けられている。デバイス３１Ａの入力部分においては、信号電極３５の入力結合部４３は、基板から立ち上がった立ち上がり部３５ｂを、離れた位置に二つ備えており、各立ち上がり部３５ｂから見て側面２ａ側には、基板から離れた浮上部分３５ｃが二つ設けられている。各浮上部分３５ｃと基板との間には、調整手段である空隙２６が、それぞれ設けられている。各空隙２６は、それぞれ、立ち上がり部３５ｂ、３５ｅおよび浮上部分３５ｃによって輪郭付けられている。各浮上部分３５ｃの間には、基板に対して絶縁バッファー層２３を介して接合されている接合部分３５ｄが設けられている。これらがデバイス３１Ａの入力部分２４を構成している。図６に示すように、各浮上部分３５ｃに対して、それぞれ各基板接続用導体１５Ａが接続されている。なお、調整手段として、空隙の代わりに、低誘電率層を設けることもできる。これらの調整手段は、デバイス３１Ａの入力部分と出力部分との双方に設けることができ、あるいは出力部分だけに設けることができる。
【００２４】
このように信号電極の結合部において、信号電極と基板との間に、調整手段である空隙や低誘電率層を介在させることによって、この部分の特性インピーダンスを調整できる。これと共に、基板に対して直接にまたは絶縁バッファー層を介して接合されている接合部分３５ｄをも設けることによって、入力結合部および／または出力結合部の構造強度を向上させることができる。
【００２５】
なお、前記の各例においては、基板と信号電極の末端結合部との間に、空隙や低誘電率層を設けたが、この結合部のインピーダンスを変化させることができれば、空隙や低誘電率層の位置を適宜に変化させてよい。
【００２６】
次に、前述のような各導波路型光デバイスの好適な製造プロセスについて、図９、図１０を参照しつつ、説明する。図９（ａ）においては、基板２に光導波路３と絶縁バッファー層２３とが形成されている。これらの形成方法は公知である。次いで、図９（ｂ）に示すように、空隙を設けるべき領域にレジスト４０を形成し、図９（ｃ）に示すように、絶縁バッファー層２３上およびレジスト４０上に信号電極２５を形成する。次いで、レジスト４０をエッチングによって除去し、図５（ａ）に示すように空隙２６を形成する。
【００２７】
ここでレジスト４０の材質は、例えば、ノーボラック樹脂が好ましく、エッチングは例えばアセトン等の溶剤等によって行う。
【００２８】
図１０（ａ）においては、基板２に光導波路３と、絶縁バッファー層４１とを形成している。次いで、図１０（ｂ）に示すように、低誘電率層を設けるべき領域にマスク４２を形成し、図１０（ｃ）に示すように、絶縁バッファー層４１のうちマスク４２を形成していない領域を、適当な厚みになるまで除去して薄い絶縁バッファー層２３を形成する。マスク４２を形成した領域には、厚い絶縁バッファー層２７を残す。この絶縁バッファー層２７を、調整手段である低誘電率層として使用する。従って、図１０（ａ）において形成した絶縁バッファー層４１の材質は、前述した低誘電材料の特性を満足するものであり、かつ基板上のバッファー層としても利用可能でなければならない。こうした材質としては、ＳｉＯ２が好ましい。
【００２９】
【実施例】
（実施例１）
図９（ａ）−（ｃ）に示す製造プロセスに従って、図３、図４、図５（ａ）に示す導波路型光デバイス２１Ａを作製した。具体的には、Ｚカットのニオブ酸リチウムのウエハー上に、フォトリソグラフィー法によって、チタンをパターニングし、熱拡散法によってチタンを拡散させ、光導波路３を形成した。なお、その条件は、チタンの厚さは８００オングストロームとし、制御部３ｂの幅は７μｍとし、拡散温度は１０００℃とし、拡散時間は２０時間とした。基板２の主面に、ＳｉＯ２の絶縁バッファー層２３を形成した（厚さ０．５−２μｍ）。
【００３０】
次いでレジスト４０を形成し、これらの上に厚さ１５−３０μｍの金属メッキからなる信号電極パターン２５を形成した。レジスト４０を溶剤で除去し、調整手段である空隙２６を形成した。次いでウエハーを切断し、厚さ０．５ｍｍ、幅０．８ｍｍ，長さ４０−６０ｍｍの導波路型光デバイス２１Ａを作製した。このデバイスについて、高周波コネクタと、５０μｍ以下の精度で位置調整を行い、同軸ケーブルの先端部の基板接続用導体１５に対して接続した。
【００３１】
実施例のデバイスと測定器との間を高周波ケーブルで接続した。測定器から、周波数が徐々に変わるスイープ信号を出力し、０−５０ＧＨｚの各周波数における伝送特性およびＲＦ反射特性を測定した。伝送特性とＲＦ反射特性とを図１１に示す。
【００３２】
（実施例２）
図１０（ａ）−（ｃ）に示す製造プロセスに従って、図６、図７、図８に示す導波路型光デバイス３１Ａを作製した。具体的には、Ｚカットのニオブ酸リチウムのウエハー上に、フォトリソグラフィー法によって、チタンをパターニングし、熱拡散法によってチタンを拡散させ、光導波路３を形成した。チタンの厚さは８００オングストロームとし、制御部２５ａの幅は７μｍとし、拡散温度は１０００℃とし、拡散時間は２０時間とした。基板２の主面に、酸化珪素の絶縁バッファー層２３を形成した（厚さ１−５μｍ）。
【００３３】
次いでマスク４２を形成し、ＥＣＲドライエッチング法により、マスク４２を形成していない領域を、適当な厚さまで除去して、図１０（ｃ）の状態とし、マスク４２を除去した。この上に、厚さ１５−３０μｍの金属メッキからなる信号電極パターン３５を形成した。次いでウエハーを切断し、厚さ０．５ｍｍ、幅０．８ｍｍ，長さ４０−６０ｍｍの導波路型光デバイスを３１Ａを作製した。このデバイスについて、高周波コネクタと、５０μｍ以下の精度で位置調整を行い、同軸ケーブルの先端部の基板接続用導体１５に対して接続した。
【００３４】
このデバイスについて、実施例１と同様にして、０−５０ＧＨｚの各周波数における伝送特性およびＲＦ反射特性を測定した。伝送特性とＲＦ反射特性とを図１２に示す。
【００３５】
（比較例）
実施例１と同様にして、図１のデバイスを作製した。ただし、調整手段は設けなかった。このデバイスについて、実施例１と同様にして、０−５０ＧＨｚの各周波数における伝送特性およびＲＦ反射特性を測定した。伝送特性とＲＦ反射特性とを図１３に示す。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、光導波路が形成されている基板と、基板上の進行波型信号電極と、基板上の接地電極とを備えている導波路型光デバイスを、高周波コネクタに対して結合し、実装するのに際して、極めて広い周波数領域にわたって、良好なＲＦ反射特性および伝送特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例の導波路型光デバイス１を示す平面図である。
【図２】高周波コネクタの先端部の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の導波路型光デバイスと高周波コネクタとの接続部分を示す斜視図である。
【図４】本発明の導波路型光デバイス２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを示す平面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、各導波路型光デバイス２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを示す、図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】本発明の他の導波路型光デバイスと高周波コネクタとの接続部分を示す斜視図である。
【図７】本発明の導波路型光デバイス３１Ａを示す平面図である。
【図８】（ａ）は、導波路型光デバイス３１Ａを示す、図７のＶＩＩＩａ−ＶＩＩＩａ線断面図であり、（ｂ）は、デバイス３１Ａを示す、図７のＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線断面図である。
【図９】（ａ）−（ｃ）は、図５（ａ）の導波路型光デバイスの製造プロセスの好適例を示す断面図である。
【図１０】（ａ）−（ｃ）は、図５（ｂ）の導波路型光デバイスの製造プロセスの好適例を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施例１における伝送特性およびＲＦ反射特性を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例２における伝送特性およびＲＦ反射特性を示すグラフである。
【図１３】比較例における伝送特性およびＲＦ反射特性を示すグラフである。
【符号の説明】２基板３光導波路４、６接地電極
７高周波発生器８同軸ケーブル９終端抵抗１３中心導体１５基板接続用導体２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、３１Ａ導波路型光デバイス２３絶縁バッファー層２４導波路型光デバイスの入力部分２５、３５信号電極２５ａ、３５ａ制御部２５ｃ、３５ｃ浮上部分（低インピーダンス部分）２６空隙２７、２８低誘電率層３４導波路型光デバイスの出力部分３５ｄ接合部分４３信号電極の入力結合部５３信号電極の出力結合部

Claims

光波を伝搬させるための光導波路が形成されている基板と、光波を制御するために基板上に設けられている進行波型の信号電極と、接地電極とを備えている導波路型光デバイスであって、
導波路型光デバイスが、高周波信号の入力部分と出力部分とを備えており、前記入力部分には、高周波信号が印加される前記信号電極の入力結合部が設けられており、前記出力部分には、終端抵抗に接続される信号電極の出力結合部が設けられており、
前記入力結合部及び前記出力結合部の少なくとも一方は、前記基板に対して接合されている接合部分と、前記基板から離隔して前記基板との間に空隙を挟むようにして設けられた浮上部分とを有し、
前記空隙は、前記入力部分及び前記出力部分の少なくとも一方のインピーダンスを調整する調整手段として機能することを特徴とする、導波路型光デバイス。
光波を伝搬させるための光導波路が形成されている基板と、光波を制御するために基板上に設けられている進行波型の信号電極と、接地電極とを備えている導波路型光デバイスであって、
導波路型光デバイスが、高周波信号の入力部分と出力部分とを備えており、前記入力部分には、高周波信号が印加される前記信号電極の入力結合部が設けられており、前記出力部分には、終端抵抗に接続される信号電極の出力結合部が設けられており、
前記基板上において前記基板の誘電率よりも低い誘電率の低誘電率層が設けられており、前記入力結合部及び前記出力結合部の少なくとも一方が、前記基板に対して接合されている接合部分と、前記低誘電率層上に設けられている低インピーダンス部分とを具えており、
前記低誘電率層は、前記入力部分及び前記出力部分の少なくとも一方のインピーダンスを調整する調整手段として機能することを特徴とする、導波路型光デバイス。