JP3758812B2

JP3758812B2 - 光導波路デバイス

Info

Publication number: JP3758812B2
Application number: JP14267497A
Authority: JP
Inventors: 裕司岸田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: JPH10239649A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，光通信分野で用いられる光変調器，光スイッチ等の光導波路デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有線通信の分野では、主に基幹伝送系から通信局間を結ぶアクセス系を含む中継系と呼ばれる伝送路において、光ファイバ通信方式が実用化され、通信の大容量化がはかられてきた。
【０００３】
今日、光ファイバ通信は、中継系のみならずオフィスや家庭を結ぶ加入者系にまで導入されつつあり、情報ハイウェーとして、電話、ファクシミリ、データ通信、映像伝送等が統合された高速・広帯域サービス統合デジタル網（ＩＳＤＮ）による高度情報通信の利用が発展している。
【０００４】
このため、将来、電話以外の非電話系による大量の情報アクセスが急激に増加するといった、ＩＳＤＮの高度利用による通信の大量消費が進むことが予測され、通信の高速・広帯域のニーズは、より一層期待されることになる。
【０００５】
通信の高速・広帯域化を背景に、従来、光ファイバ通信において、技術的な方向性として光源の単一波長性の追究がなされてきた。その結果、分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）が実用化され、光ファイバの波長分散の影響なしに数Ｇｂ／ｓ程度の超高速伝送が可能となった。
【０００６】
しかしながら、ＤＦＢ−ＬＤにおいても、超高速で大信号を変調したときに生じる緩和振動により、発光スペクトルがシフトするといった現象（チャーピング）が課題となり、より一層の高速化に対する限界となった。
【０００７】
チャーピングを抑えるためには、緩和振動を抑える必要があり、その方策として、活性層にドーピングを行なう方法、非線形利得の効果を取り入れる方法、バイアスをしきい値以上にするといった方法などが提案されているが、どの方法も実際的ではなく、解決困難な課題となっている。
【０００８】
これに対し、ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）等から成る強誘電体基板の電気光学効果を利用した、導波路型光制御デバイス（以下、光導波路デバイスという）は、原理的にチャーピングがなく、また、応答速度が速く、ミリ波帯においても十分変調が可能であることから大変有望視されている。このような光導波路デバイスでは、これと光源とを組み合わせことにより、チャーピングの問題を本質的に解決し、なおかつ高速化が期待できる。
【０００９】
この光導波路デバイスは、原理的にはテラＨｚオーダーまで動作が可能と言われているが、高速化を阻害する大きな要因として、マイクロ波の速度と光波の速度の不整合により帯域が制限されるといった課題があった。
【００１０】
従来、この課題を解決する技術として、一般的に図８に断面図にて示す、コプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）型、あるいはこの変形型の進行波型電極と呼ばれる構造が広く用いられてきた。図８は光変調器Ｊの平行導波路部分の断面を示した図であり、４１は強誘電体の基板、４２は導波路、４３はバッファ層である。また、４４ａ〜４４ｃはＣＰＷ電極であり、４４ａ，４４ｃはそれぞれグラウンド電極、４４ｂは信号電極である。この光変調器Ｊは、マイクロ波と光波を同一方向に進行させ、なるべく両者の速度を一致させることにより、マイクロ波と光波の相互作用を有効に生じさせようとするものである。
【００１１】
ＣＰＷ電極では、図４に示す中心導体幅ｗ、電極間隔ｇ、電極厚ｄ、バッファ層厚ｈ、基板４４の誘電率ε0及びバッファ層４３の誘電率ε1の各構造パラメータにより、ＣＰＷ電極の特性インピーダンス(Ｚc)と、実効屈折率（Ｎeff）と呼ばれるマイクロ波がＣＰＷ電極を伝搬する際に感じる等価的な屈折率とが決まる。この実効屈折率（Ｎeff）を導波路を伝搬する光波の基本モードの等価屈折率に近づけることが、マイクロ波と光波の速度整合を行なうことと等価である。基本的に上記構造パラメータ又はこれらを変形した構造パラメータを、外部電気系とのインピーダンス整合、及び光波とマイクロ波の速度整合がとれるように最適化することで広帯域化が実現される。
【００１２】
最近では、この最適化について、電磁界解析によって、中心導体幅、電極間隔を共に狭くし、電極厚、バッファ層厚を共に厚くすることで広帯域化が可能であることが報告されている（例えば、IEEE Microwave Guided Wave Lett., Vol.2,pp313-315,Aug.1992を参照）。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に電極形成は、作製コストを考慮して、蒸着やスパッタにより形成された下地電極薄膜上にメッキを形成する方法がとられるが、中心導体幅を狭く且つ厚く積み上げると、メッキ内部に残留する内部応力と密着面積の低下により、基板と中心導体との密着性が悪くなり、作製歩留まりが悪くなるといった問題やデバイスの信頼性が悪くなるといった問題があった。
【００１４】
この従来技術による設計の物理的な解釈として、比較的高屈折率である基板内にマイクロ波の電磁界が分布する割合を少なくすることで、光波の屈折率よりも高くなる傾向のある実効屈折率Ｎeffを小さくし、光波の屈折率に近づける効果を及ぼすことが考えられる。
【００１５】
この考えによれば、従来技術に代わる変形例として、例えば特開平６−２４２４７７号公報、特開平５−５３０８５号公報、特開平５−１９２２０号公報等、種々の構造が提案されているが、これらはいずれも、基板やバッファ層に加工を施し、電磁界分布領域において、最も低屈折率である空気層の領域の面積比率を増加させる方法である。
【００１６】
そして、これらの方法においても、作製プロセスの制御性の困難さや工程の複雑化そのものにより歩留まりの低下を引き起こし、産業上、深刻な課題を残すものであった。
【００１７】
本発明は上述した諸問題を克服し，容易なプロセスで広帯域な特性を有する光導波路デバイスを提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の光導波路デバイスは、表層に２本の光導波路が形成された焦電性基板を、溝が形成され該溝内に前記光導波路に電圧を印加するための信号電極が、前記溝の少なくとも上面にグラウンド電極がそれぞれ低誘電体層を介して形成された基体の上に、それぞれ異なる厚さの真空層またはガス層を介して前記光導波路の一方と前記信号電極とが、および前記光導波路の他方と前記グラウンド電極とが対向するように載置したことを特徴とする。
【００１９】
また、前記信号電極は前記光導波路側に近づく厚み方向へ幅が狭くなる断面台形状を成していることを特徴とする。さらに、前記光導波路は前記焦電性基板の表面に形成した凹部に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
ここで、真空層とはいわゆる真空状態（例えば、１０^−２Torr以下の真空）を含むものとする。
【００２１】
また、光導波路は複数でもよく、その場合は、表層に複数の光導波路が形成された焦電性基板と、少なくとも一本の光導波路に電圧を印加するための信号電極が形成された基体とがバッファ層を介して接合されているとともに、少なくとも一本の光導波路が真空層もしくはガス層を介して信号電極と対向しているものとする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態を光導波路デバイスの一つである光変調器を例にとり図面に基づき説明する。
【００２３】
図１は光変調器Ｓの平面図であり、図２は図１におけるII−II線断面図である。図１及び図２に示すように、光変調器Ｓは、基体Ｕとその上に載置された導波路体Ｔとから成る。
【００２４】
ここで、導波路体Ｔは、一主面に光導波路２が形成された、例えばニオブ酸リチウム、もしくはタンタル酸リチウム等から成る焦電性基板（以下、導波路形成基板という）１と、この導波路形成基板１の光導波路２を含む一領域上に形成されたＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３等から成る誘電体であるバッファ層３とから構成される。
【００２５】
また、導波路体Ｔを載置した基体Ｕは、シリコン基板（以下、電極形成基板という）１１の一主面にＳｉＯ_２から成る低誘電体層１２と、その上に蒸着やスパッタにより形成された、例えばＣｒ／Ａｕから成る下地電極層１３、及びその上に例えばＡｕのメッキ層１４が順次積層されて成る、ＣＰＷ（コプレーナウェーヴガイド）電極層１５（グラウンド電極１５ａ，信号電極１５ｂ，グラウンド（以下、ＧＮＤ）電極１５ｃ）が形成されている。
【００２６】
また、導波路形成基板１と電極形成基板１１は、各々、光導波路２と信号電極を含む電極層１５がそれぞれ形成された面が対向し、かつ光導波路２と電極層１５が所定位置にアライメントされた状態で接合される。すなわち、信号電極１５ｂは、電極形成基板１１上に形成された溝１７に低誘電体層１２を介して形成され、光導波路２上の約０．５〜２μｍに空気層１６とバッファ層３とを介在させて固定される。バッファ層３は金属クラッディングによる導波損失の抑制にのみ機能しており、約０．２μｍが必要かつ十分な膜厚である。これにより、従来よりもバッファ層３による実効屈折率Ｎeffの増加を抑制できる。また、信号電極１５ｂを含む領域上のみバッファ層３をエッチング除去することにより、一層効果的に実効屈折率Ｎeffを下げることもできる。また、基体Ｕの低誘電体層１２と導波路体Ｔのバッファ層３との距離は、５〜２０μｍ程度が好適な範囲である。なぜなら、５μｍより薄いと導体損失が増大し、２０μｍより厚いとインピーダンス整合ができなくなるからである。なお、空気層１６は空気以外のガス層や真空層であってもよい。
【００２７】
導波路形成基板１と電極形成基板１１とのアライメント方法は、例えば導波路形成基板１と電極形成基板１１の双方に位置合わせマーカーを形成しておいて、マーカー同士を位置合わせする方法がある。また、導波路形成基板１と電極形成基板１１との接合、すなわち導波路体Ｔと基体Ｕとの接合は、接着剤や半田バンプを用いる方法がある。これらの技術は従来の光導波路デバイスの製造工程には、一般的に用いられなかった技術であるが、今日、加入者系デバイスのモジュール製造工程で一般に用いられるもので、特に製造工程の複雑化を意味するものではない。モジュール形成工程と組み合わせることで一層、量産性に優れた製造工程を与えることができる。
【００２８】
また、導波路形成基板１は、光導波路２のみに必要な面積を確保すればよいため、製造工程においてハンドリング性が許す限り小さくでき、例えば、チップ幅０．５ｍｍの小型化も可能である。これにより、デバイスの量産性はさらに向上する。
【００２９】
また、信号電極１５ｂは誘電体層１２との接合部（下部電極幅ｗｌ）から電極表層（上部電極幅ｗｕ）に向かって徐々に狭くなる略断面台形状の断面構造を有する。これにより、高屈折率の導波路形成基板に近い領域で中心導体幅を狭くできることから、実効屈折率Ｎeffを下げる効果がある。さらに、テーパにより電極断面積を広くとれることから導体損失を小さくでき、なおかつ、信号電極１５ｂと電極形成基板１１との接合面積を広くとれることから電極密着性が大幅に向上する。
【００３０】
図３は、上記の電極構造において電極厚ｄ、バッファ層厚ｔが一定（ｄ：５〜２０μｍ、ｔ：０．２μｍ程度）で、下部電極幅ｗｌ（８〜１５μｍ）、上部電極幅ｗｕ（ｗｌ＞ｗｕ１＞ｗｕ２＞ｗｕ３）（４〜８μｍ）を変化させ、電極間隔ｇをインピーダンス整合がとれるように設計したときの実効屈折率Ｎeff、及び信号電極１５ｂの密着強度を示したものである。ここで、実効屈折率Ｎeffはネットワークアナライザにより、密着強度は引張試験機により測定を行なった。図３から明らかなように、上部電極を狭くし、下部電極幅を適当な幅にすることにより、実効屈折率Ｎeffを下げて十分に光波屈折率に近づけることができ、なおかつ良好な電極密着強度を得ることができた。
【００３１】
次に、他の実施形態について説明する。光導波路デバイスは、図４に断面図（図２と同様な位置での断面図）にて示すように、上記バッファ層３が無い場合であってもよい。そして、導波路形成基板１の凹部１ａ内に導波路２を形成し、上記バッファ層３と空気層１６を設ける代わりに真空層もしくはガス層だけを設けるようにしてもよい。これによりいっそう実効屈折率Ｎeffを下げて十分に光波屈折率に近づけることができる。また、凹部１ａの深さや電極の膜厚等を変えることにより、非常に制御性よく空気層１６ａと空気層１６ｂの厚さを独立に制御し、好適に広帯域・低駆動電圧が実現できる。
【００３２】
また、図５に示す光導波路デバイスのように、信号電極１５ｂ及びＧＮＤ電極１５ｃともに溝１７の内側に形成するようにしてもよい。このような構成によっても光導波路２上に形成したバッファ層３を介して対向させたときに比べ、より薄い空気層厚で速度整合が可能となり、広帯域、低駆動電圧が実現できる。また、信号電極１５ｂ及びＧＮＤ電極１５ｃともに溝１７の内部に形成することで、特に工数を増大させることなく簡便な工程で電極形成が可能となる。
【００３３】
また、同様に図６に示す光導波路デバイスのように、溝１７の内側に第２のテラス部１８を形成することにより、簡便な方法で信号電極１５ｂ及びＧＮＤ電極１５ｃの空気層厚１６ａ，１６ｂを各々独立に最適化し、より広帯域・低駆動電圧を実現させることができる。
【００３４】
また、図７に示す光導波路デバイスのように、下地ＧＮＤ電極１５ｄと光導波路間に空気層１６ｂを形成し、空気層１６ｂの厚さを下地ＧＮＤ電極１５ｄの膜厚とＧＮＤ電極１５ｃの膜厚で制御し、さらに、信号電極１５ｂと光導波路間の空気層１６ａの厚さの制御はＧＮＤ電極１５ｃの膜厚で制御するようにしてもよい。これによれば、非常に制御性よく空気層１６ａと空気層１６ｂの厚さを独立に制御し、好適に広帯域・低駆動電圧が実現できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光導波路デバイスによれば、表層に光導波路が形成された焦電性基板を、溝が形成され該溝内に前記光導波路に電圧を印加するための信号電極が形成された基体の上に、真空層またはガス層を介して前記光導波路と前記信号電極とが対向するように載置したので、簡便な方法で光波・マイクロ波の速度整合をとることができ、そのような光導波路デバイスを生産性良く製造することが可能となる上、再現性が良くしかも広帯域の特性を有し且つ高信頼性に優れた小型の光導波路デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路デバイスの平面図である。
【図２】図１におけるII−II線断面図である。
【図３】下部電極幅及び上部電極幅を変化させた場合のマイクロ波実効屈折率変化と電極密着強度変化を説明するグラフである。
【図４】本発明の他の光導波路デバイスの断面図である。
【図５】本発明の他の光導波路デバイスの断面図である。
【図６】本発明の他の光導波路デバイスの断面図である。
【図７】本発明の他の光導波路デバイスの断面図である。
【図８】従来の光導波路デバイスの断面図である。
【符号の説明】
１：焦電性基板
２：光導波路
３：バッファ層
１１：シリコン基板
１２：低誘電体層
１６：空気層
Ｔ：導波路体
Ｕ：基体
Ｓ：光導波路デバイス

Claims

表層に２本の光導波路が形成された焦電性基板を、溝が形成され該溝内に前記光導波路に電圧を印加するための信号電極が、前記溝の少なくとも上面にグラウンド電極がそれぞれ低誘電体層を介して形成された基体の上に、それぞれ異なる厚さの真空層またはガス層を介して前記光導波路の一方と前記信号電極とが、および前記光導波路の他方と前記グラウンド電極とが対向するように載置したことを特徴とする光導波路デバイス。
前記信号電極は前記光導波路側に近づく厚み方向へ幅が徐々に狭くなる断面台形状を成していることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
前記光導波路は前記焦電性基板の表面に形成した凹部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。