JP4265806B2

JP4265806B2 - 光変調器

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Publication number: JP4265806B2
Application number: JP2006134153A
Authority: JP
Inventors: 健治河野; 雅也名波; 勇治佐藤; 靖二内田; 信弘五十嵐; 中平　　徹
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2026-05-12
Also published as: JP2007304424A

Description

本発明は高速で駆動電圧が低く、かつ製作の歩留まりの良い光変調器の分野に属する。

リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、リチウムナイオベート基板をＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０Ｇｂｉｔ/ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ/ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。

このＬＮ光変調器では進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率ｎ_ｍと光導波路を伝搬する光の等価屈折率ｎ_ｏおよび、電気信号の伝搬損失が光変調の応答帯域に決定的な役割を果たすが、その中でも、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍと光の等価屈折率ｎ_ｏとはその値が大きく異なっており、光変調の応答帯域を制限する決定的な要因となっている。そこで、これらを一致させる（電気信号と光の速度整合、あるいは簡単に速度整合と言う）ために、研究・開発が進められている。

ｚ−カットＬＮ基板についてはリッジ構造が考案されるとともにその有効性が実証されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、ｘ−カットＬＮ基板についてはまだ決定的に優れた構造がないのが実情である。

このｘ−カットＬＮ基板において電気信号と光の速度整合を達成するための従来技術が、特許文献２に開示されている。その従来技術の斜視図を図１３に、図１３中のＡ−Ａ’における断面図を図１４及び図１５に、Ｂ−Ｂ’における断面図を図１６に示す。

ＬＮ光変調器を光通信システムにおいて実際に使用するためには、取り扱いに便利なように、単一モード光ファイバを具備するＬＮ光変調器モジュールとする必要があるが、説明の簡単のために図１３にはＬＮ光変調器モジュールとしてではなく、ＬＮ光変調器チップとしての形態を示している。以下の説明においては、簡単のためにＬＮ光変調器チップとＬＮ光変調器モジュールの双方をＬＮ光変調器と呼んでいる場合がある。図１４及び図１５は電気信号と光が相互作用する、いわゆる相互作用部の断面図に対応する。なお、図１５は図１４に電気力線等を追記したものである。

図中、１はｘ−カットＬＮ基板、２は接着剤からなる低誘電率接着層、３は保持基体である。４はｘ−カットＬＮ基板１にＴｉを蒸着後、１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。また、４ａ、４ｂは電気信号と光が相互作用する部位（相互作用部と言う）における光導波路、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームである。光導波路４は、さらに、光を入射するための入力光導波路と、相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射する出力導波路を有している。進行波電極５は中心導体５ａ、接地導体５ｂ、５ｃからなっている。６ａと６ｂは電気信号の電気力線であり、これらの電気力線６ａ、６ｂと光導波路４ａ、４ｂを伝搬する光のパワーの重なり積分が半波長電圧Ｖπと相互作用長Ｌとの積Ｖπ・Ｌを決定する。

図１４から分かるように、ｘ−カットＬＮ基板１はその一方の面１ａに光導波路４と進行波電極５の中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃが形成されており、主基板としての機能を果たしている。低誘電率接着層２はｘ−カットＬＮ基板１の他方の面１ｂに十分な機械的強度を有する保持基体３の一方の面３ａを固定する役割をする。

さて、図１５に示すようにｘ−カットＬＮ基板１の一方の面１ａに平行な方向をｘ方向、垂直な方向をｙ方向とすると、ｘ方向の比誘電率ε_ｒｘとｙ方向の比誘電率ε_ｒｙは各々２８、４３と大変大きい。そのため、通常、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍは３．０〜４．２程度と、光の等価屈折率ｎ_ｏ（約２．１４）よりも大きな値となる。

そこで、この従来技術においては、低誘電率接着層２の比誘電率は３〜５と低いことを利用し、電気力線６ａ、６ｂにこの低誘電率接着層２の領域を通過させることにより電気信号の等価屈折率ｎ_ｍを下げ、光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけるようにしている。なお、説明を簡単にするために図１５においては空気中に存在する電気力線の図示を省略している。

電気力線６ａ、６ｂにこの低誘電率接着層２の領域を通過させるためには、ｘ−カットＬＮ基板１の厚みＴ_１を１０μｍ程度まで薄くする必要がある。しかしながら、その程度の厚みのｘ−カットＬＮ基板１のみでは機械的な強度が極めて弱くなってしまい、不図示のパッケージ筺体にｘ−カットＬＮ基板１をそのまま固定し、光変調器として使用することは事実上不可能となる。

この問題を回避するには機械的強度を高める必要がある。そのため、前述のようにｘ−カットＬＮ基板１の光導波路４や進行波電極５を形成していない他方の面１ｂに、低誘電率接着層２を用いて十分な機械的強度を有する保持基体３の面３ａを固定することにより、ＬＮ光変調器全体としての機械的強度を高めている。さらに、次に示す図１６のように、保持基体３の他方の面３ｂをパッケージ筺体に固定することにより、通信に使用できる形態とする。なお、特許文献２によれば保持基体３としてｘ−カットＬＮ基板そのものを用いている。

前述のように、図１３に示した従来技術であるＬＮ光変調器チップを光通信システムにおいて実際に使用する場合には、取り扱いに便利なように、通常、単一モード光ファイバを具備するＬＮ光変調器モジュールとする必要がある。ＬＮ光変調器チップとして示した図１３のＢ−Ｂ’における断面図に対応する通常のＬＮ光変調器モジュールの断面図の一部を図１６に示す。但し、図１６にはＬＮ光変調器モジュールにおいて本明細書での説明に必要な光変調器構成要素のみを示している。

図１６において、７はＬＮ光変調器モジュールのパッケージ筺体の底部である。８はＬＮ光変調器モジュールの筺体の一部をなすとともに、図１３に示した従来技術のＬＮ光変調器チップを固定するための台座、９ａ、９ｂはｘ−カットＬＮ基板１の上面（光導波路４が形成された面）に固定された端面接着補強材、１０ａ、１０ｂは単一モード光ファイバ（一般にはＬＮ光変調器チップへの光入射側の単一モード光ファイバには偏波保存型の単一モード光ファイバが使用される）、１１ａ及び１１ｂは単一モード光ファイバ１０ａ及び１０ｂを保持するガラスビーズ、１２ａ及び１２ｂは紫外線硬化接着剤（あるいは、ＵＶキュア接着剤）である。

ＬＮ光変調器のパッケージ筺体内に形成された台座８の上にｘ−カットＬＮ基板１、低誘電率接着層２、保持基体３からなるＬＮ光変調器チップを固定している（なお、説明の簡単のために、図１３における光導波路４や進行波電極５は省略した）。

単一モード光ファイバ１０ａ、１０ｂは各々ガラスビーズ１１ａ、１１ｂに固定されており、ガラスビーズ１１ａ、１１ｂの各端面は紫外線硬化接着剤１２ａや１２ｂにより、各々端面接着補強材９ａ、９ｂ、保持基体３及びｘ−カットＬＮ基板１の両側の端面に固定されている。なお、図１３に示した斜視図について、端面接着補強材９ａ、９ｂを含むより詳しい斜視図を示すと図１７のようになる。
特開平４−２８８５１８号公報特開２００３−２１５５１９号公報

しかしながら、この特許文献２に示される従来技術は、次に示す解決すべき課題を有している。前述のように、低誘電率接着層２の比誘電率は３〜５と低く、電気力線６ａ、６ｂにこの低誘電率接着層２の領域を通過させることにより電気信号の等価屈折率ｎ_ｍを下げ、光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけるようにしている。しかし、この電気力線６ａ、６ｂは厚みＴ_２が通常３０μｍ程度の低誘電率接着層２を突き抜け、保持基体３に達してしまう。

前述のように、この保持基体３の材料としてはｘ−カットＬＮ基板を用いている。つまり保持基体３の比誘電率は光導波路４と進行波電極５が形成されているｘ−カットＬＮ基板１と同様に大きいので、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍは光の等価屈折率ｎ_ｏよりも大きくなりやすい。特に進行波電極５の中心導体５ａの幅Ｓや、中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃの間のギャップＷが数十μｍと大きい場合には、電気力線６ａ、６ｂの広がり方がさらに大きくなり、低誘電率接着層２を突き抜け、保持基体３に達してしまう。このように進行波電極のサイズが大きい場合には、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍがより一層大きくなり、光の等価屈折率ｎ_ｏから大きく外れてしまうという問題点があった。

なお、保持基体３として比誘電率の大きなｘ−カットＬＮ基板の代わりに、アルミナ基板や石英基板を用いることも考えられる。しかしながら、これらは比誘電率が３〜５である低誘電率接着層２に比べて比誘電率が高く（約１０前後）、やはり電気信号の等価屈折率ｎ_ｍが大きくなる傾向は免れ得ない。

さらに、アルミナ基板や石英基板はｘ−カットＬＮ基板１と比較して熱膨張係数が数桁大きい。従って、これらを保持基体３として用いた場合には温度の変化とともにＬＮ基板にストレスが発生し、電気信号に重畳するバイアス電圧がドリフトする、あるいは最悪の場合にはｘ−カットＬＮ基板１その物が破壊される場合もある。

また、図１３から図１７に示した従来技術では、光導波路４と進行波電極５が形成されているｘ−カットＬＮ基板１の他に、別途、保持基体３を使用するので、当然のことながら保持基体３の部材費とその形状に加工するための加工費が必要となる。さらに、保持基体３の一方の面３ａと、光導波路と進行波電極が形成されているＬＮ基板１の他方の面１ｂとの接着固定するための工程が必要となり、結果的にコスト上昇につながってしまっていた。

さらに重要な問題として、この従来技術を実現するに当たっては、薄片化した直径３インチもしくは４インチのｘ−カットＬＮ基板１の裏面全体に直径３インチもしくは４インチの保持基体３を貼り付ける必要があるが、この接着固定の際に低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入りやすいという問題点があった。低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入った場合には、その後の高温試験の際に、保持基体３の一方の面３ａとの間に入った空気が熱膨張し、厚みが１０μｍ程度と薄くて機械的な強度が低いｘ−カットＬＮ基板１を破裂・破壊し、歩留まりが低下する原因となっていた。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料からなる低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射側光ファイバから入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射側光ファイバへ出射する出力光導波路からなる光変調器において、前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層を通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、該低誘電率接着層が前記基板の破損を抑え、前記基板の一方の面側の前記中心導体のマイクロ波入出力口および前記相互作用光導波路が形成されていない部位で前記基板の短手方向側の端に長手方向補強材（１６）が前記基板の長手方向に延設されるとともに、当該長手方向補強材が、前記基板の一方の面側の長手方向の端に前記基板の短手方向に延設された、前記長手方向補強材と同じ厚さの端面補強材（１５ａ，１５ｂ）と連結され、さらに、前記端面補強材より幅の太い短手方向補強材（１７ａ，１７ｂ）が、前記端面補強材の上方と前記長手方向補強材の上方の一部にて、前記端面補強材と前記長手方向補強材との連結部を覆って当該両補強材に接着固定され、前記低誘電率接着層と前記基板と前記端面補強材と前記短手方向補強材とは、いずれも前記入射側および出射側光ファイバを保持するビーズ（１１ａ，１１ｂ）と接触し接着固定可能となるよう互いに固定されており、前記基板の長手方向における撓み強度を増加することを特徴とする。

本発明の請求項２の光変調器は、請求項１に記載の光変調器において、前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層のみを通過することを特徴とする。

本発明の請求項３の光変調器は、請求項１または２に記載の光変調器において、前記基板の厚みが５０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項４の光変調器は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光変調器において、前記基板の前記他方の面が略平坦であることを特徴とする。

本発明の請求項５の光変調器は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光変調器において、前記基板がｘ−カットリチウムナイオベート基板であることを特徴とする。

本発明の請求項６の光変調器は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光変調器において、前記基板がｚ−カットリチウムナイオベート基板であることを特徴とする。

本発明の請求項７の光変調器は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光変調器において、前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、及び前記中心導体と前記接地導体との間のギャップを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率が近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴とする。
本発明の請求項８の光変調器は、請求項１乃至４及び請求項６のいずれか１項に記載の光変調器において、前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、前記中心導体と前記接地導体との間のギャップ、及びバッファ層の厚みを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率とが近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴とする。

本発明においては、従来では接着層と考えられていた低誘電率接着層を厚く、また強度の強い材料を使用して保持基台とすることにより、従来技術の保持基体の機能を持つようにしたので、光導波路や進行波電極を形成した基板の下に保持基体の役割をする比誘電率が３〜５程度と低い低誘電率接着層が厚く存在する。その結果、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍを下げ、光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけることが容易になるばかりでなく、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍの設定にばらつきがなくなり、光変調帯域についての歩留まりが著しく向上する。

また、従来はｘ−カットＬＮ基板により製作していた保持基体その物が不要となるため、部品点数が減ることによる光変調器のコスト低減を実現できるばかりでなく、ＬＮ基板の他方の面１ｂを低誘電率接着層２を介して保持基体に接着固定する工程が不要となり、一層のコスト低減を図ることができる。さらに、特にこの接着工程その物がないので、接着固定する際に問題となっていた低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入ることによる歩留まりの低下を完全に解決できるという利点がある。本発明の極めて大きな特徴として低誘電率接着層により形成した保持基台が機械的な強度を有するばかりでなく、ｘ−カットＬＮ基板の上面あるいは低誘電率接着層による形成した保持基台の下に基板強度補強材を設けているため、捩れや撓みに対する機械的強度が著しく大きいという利点がある。また本発明はｘ−カットＬＮ基板のみでなく、ｚ−カットＬＮ基板にも適用可能であるという利点もある。

以下、本発明の実施形態について説明するが、図１３から図１７に示した従来技術と同一番号は同一機能部に対応しているため、ここでは同一番号を持つ機能部の説明を省略する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態における光変調器について、そのｘ−カットＬＮ光変調器の斜視図を図１に、図１のＣ−Ｃ’における断面図を図２に、Ｄ−Ｄ’における断面図を図３に示す。

図１から図３に示すように、本実施形態におけるＬＮ光変調器チップでは従来技術である図１３から図１７に示した高い比誘電率を有するｘ−カットＬＮ基板からなる保持基体３が存在しない。その代わりに、低誘電率接着層からなる保持基台１３がｘ−カットＬＮ基板１の下方に設けられている。そして、ｘ−カットＬＮ基板１の他方の面１ｂに保持基台１３の一方の面１３ａが接着して形成されるとともに、図３に示すように保持基台１３のもう一方の面１３ｂはＬＮ光変調器モジュールのパッケージ筺体の底部７に形成した台座８に直接固定されている。

この保持基台１３は、図１３から図１７に示した従来技術の低誘電率接着層２と同様、誘電率が低い低誘電率接着層から形成されている。しかし、ｘ−カットＬＮ基板１と保持基体３との接着層として使用していた従来技術とは異なり、強度の高い材料で形成されるとともに、その厚みが機械的強度を有するように厚く形成されている。

図１から図３において、１４は光導波路４が形成された側のｘ−カットＬＮ基板１の基板表面近傍（図１や図２では、進行波電極５の接地導体５ｂの表面）に固定された基板強度補強材１４である。後述するように、この基板強度補強材１４は捩れや撓みに対するＬＮ光変調器の機械的強度を著しく増加するという極めて重要な役割を果たしている。

ここで、ｘ−カットＬＮ基板１の厚みＴ_１と低誘電率接着層からなる保持基台１３の厚みＴ_１３は各々約１０μｍ、約２０００μｍとし、進行波電極の厚みＴ_５は２０μｍとした。なお、保持基台１３は紫外線硬化接着剤をスピナーでスピンコートしたのち、紫外線を照射し固化した。スピナーでスピンコートすることにより重ね塗りが可能であり、容易に２０００μｍ程度の保持基台１３を製作することができた。

本発明では、保持基台１３としてエポキシ系やアクリル系等の接着剤を使用している。接着剤の固化の方法としては、紫外線硬化、加熱あるいはそれらを併用しても良い。注意すべきことは、低誘電率接着層を保持基台１３として用いているので、熱膨張係数や特に機械的強度等、つまり従来技術の保持基体３において要求される条件を満たすことができる接着剤を使用することが重要である。なお、接着剤は、固化時の収縮率が２％以下と小さいことが望ましく、かつ熱膨張係数としては０．５×１０^−５／Ｋ〜３×１０^−５／Ｋの範囲で選ぶと良い。

なお、ｘ−カットＬＮ基板１の他方の面１ｂは、研磨により略平坦とした。これは主基板としてｚ−カットあるいはｙ−カットなどその他の方位の基板でも同じである。ここで、この略平坦とは研磨など加工の範囲内における凹凸や湾曲などを含んで平坦という意味である。

また、前述のように、保持基台１３の他方の面１３ｂを、ＬＮ光変調器モジュールのパッケージ筺体の底部７に形成した台座８に固定することにより、通信に使用できる形態とする。このことについては後で詳しく述べる。

図１５と同様に、図２には電気力線６ａ、６ｂを示している。なお、説明を簡単にするために、図２においては空気中に存在する電気力線の図示を省略している。

図２から分かるように電気力線６ａ、６ｂは比誘電率の高いｘ−カットＬＮ基板１を突き抜けた後、低い比誘電率を持つ保持基台１３の内部に全て分布している。従って、電気力線６ａ、６ｂがｘ−カットＬＮ基板１を突き抜けた後、比誘電率が大きなｘ−カットＬＮ基板からなる保持基体３に入射する図１３から図１７に示した従来技術とは異なり、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍを下げ、光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけることが容易になるばかりでなく、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍの設定にばらつきがなくなり、光変調帯域についての歩留まりを著しく向上できる。

なお、電気力線６ａ、６ｂは比誘電率が高いｘ−カットＬＮ基板１を突き抜けた後、低い比誘電率を持つ保持基台１３の内部に全て分布せず、保持基台１３の下に少し突き抜ける場合でも、保持基台１３が充分な機械的強度を有している場合には本発明に属する。

さらに、前述のように進行波電極５の中心導体５ａの幅Ｓや、中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃの間のギャップＷが大きい場合には、電気力線６ａ、６ｂの広がり方が大きくなるが、電気力線６ａ、６ｂはｘ−カットＬＮ基板１を突き抜けた後、低い比誘電率を持つ保持基台１３に全てが入っているので、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍを低く抑え、光の等価屈折率ｎ_ｏに近くすることが可能である。つまり、進行波電極５の寸法が大きい場合に、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍが大きくなりやすいという従来技術が有していた問題を顕著に解決することができる。

また、一般に誘電体基板の熱膨張係数はｘ−カットＬＮ基板１の値より数桁大きいが、接着剤は各種の材料を混ぜて製作されているため、ｘ−カットＬＮ基板１と同程度の製品もある。そうした接着剤を保持基台１３として用いることにより、ｘ−カットＬＮ基板１と保持基台１３との熱膨張係数差を小さくすることができるので、使用環境温度が大きく変化しても熱膨張係数差のためにＤＣドリフトが生じる、あるいは素子が破壊されるという心配もない。

前述のように、図１３から図１７に示した従来技術では、ＬＮ光変調器を製作する工程において、薄片化した直径３インチもしくは４インチのｘ−カットＬＮ基板１の裏面全体に直径３インチもしくは４インチの保持基体３を貼り付ける必要があるが、保持基体３を準備するための部材費や加工費、さらには従来必要であったｘ−カットＬＮ基板１とｘ−カットＬＮ基板からなる保持基体３という大きなウェーハ同士を極めて注意深く接着する工程が不要となり、人件費に起因するコストを低減できる。

さらに、ｘ−カットＬＮ基板１と保持基体３との接着固定の際に問題となっていた低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入りやすいという問題も、本発明では保持基体３そのものが存在しないので、当然のことながら解決できる。

また、ｘ−カットＬＮ基板１の厚みが１０μｍ程度と薄いので電気力線６ａ、６ｂはｘ−カットＬＮ基板１に閉じこもる傾向がある。その結果、光導波路４ａ、４ｂを伝搬する光との相互作用の効率が上昇するので、半波長電圧Ｖπと相互作用長Ｌとの積Ｖπ・Ｌを小さくすることができ、結果的に駆動電圧を低減することが可能となる。

さて、前述のようにＬＮ光変調器を光通信システムにおいて実際に使用するためには、単一モード光ファイバを具備する光変調器モジュールの形態とする必要がある。本発明は光変調器としてのモジュールを構成する上で有用であるという特徴があるので、モジュールの観点から本発明の第１実施形態について説明する。

図３において、基板強度補強材１４はその端面１４ａ、１４ｂが端面接着補強材９ａ、９ｂにも不図示の紫外線硬化接着剤により固定されており、保持基台１３とともにＬＮ光変調器としての機械的強度を著しく増す働きをしている。つまり、基板強度補強材１４はｘ−カットＬＮ基板１の基板表面や接地導体５ｂと端面接着補強材９ａ、９ｂの両方に固定されているので、特にＬＮ光変調器の機械的強度を著しく増加するという極めて重要な役割を果たしている。なお、基板強度補強材１４と端面接着補強材９ａ、９ｂの厚みは１ｍｍで、基板強度補強材１４の幅も１ｍｍとしたが、これ以外の厚みや幅でも良いことは言うまでも無い。

基板強度補強材１４はｘ−カットＬＮ基板１の基板表面や進行波電極５の接地導体５ｂに固定すれば良く、３インチや４インチのｘ−カットＬＮ基板１の全面に固定する必要はない。従って、ＬＮ光変調器の製作時には３インチや４インチの大きさの保持基体３を貼り付ける必要のある従来技術と異なり、幅や長さなど大きさが小さい基板強度補強材１４を接着する際に紫外線硬化接着剤に気泡が入る心配はない。

なお、本実施形態のみならず、本発明における他の実施形態においても、この基板強度補強材１４はｘ−カットＬＮ基板１の基板表面に固定しても良いし、進行波電極５の接地導体５ｂに固定しても良い。あるいは進行波電極５の厚みは２０μｍ程度と薄いため、その厚みの影響は無視できるので、ｘ−カットＬＮ基板１の基板表面と、進行波電極５の接地導体５ｂの両方に渡って固定しても良い。いずれにしても、図１３から図１７に示した従来技術と異なり、この基板強度補強材１４は３インチや４インチのｘ−カットＬＮ基板１の全面に固定する必要はないので、基板強度補強材１４を接着する際に紫外線硬化接着剤に空気などの気泡による泡が入る心配はない。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態における光変調器について、その斜視図を図４に、図４のＥ−Ｅ’における断面図を図５に、Ｆ−Ｆ’における断面図を図６に示す。

この本発明の第２実施形態では、第１の基板強度補強材１５ａ、１５ｂと第２の基板強度補強材１６が、光導波路４が形成された側の基板表面近傍（あるいは、進行波電極５の接地導体５ｂの表面）に固定されている。この第１の基板強度補強材１５ａ、１５ｂと第２の基板強度補強材１６はほぼ同じ厚みであることが望ましい。そして、端面接着補強材１７ａは第１の基板強度補強材１５ａと第２の基板強度補強材１６に、端面接着補強材１７ｂは第１の基板強度補強材１５ｂと第２の基板強度補強材１６に不図示の紫外線硬化接着剤により接着固定されている。従って、第１の基板強度補強材１５ａ、１５ｂと第２の基板強度補強材１６は端面接着補強材１７ａ、１７ｂを介して剛性を得ており、ＬＮ光変調器チップの機械的強度を著しく増加するという極めて重要な役割を果たしている。

図４と図６において、例えば、第１の基板強度補強材１５ａ、１５ｂと第２の基板強度補強材１６の厚みを各々５００μｍ、第１の基板強度補強材１５ａ、１５ｂの幅Ｗ_１５を１ｍｍ、第２の基板強度補強材１６の幅Ｗ_１６を２ｍｍとする。端面接着補強材１７ａ、１７ｂの厚みを５００μｍ、幅Ｗ_１７を２ｍｍとした場合には、図６からわかるように、端面接着補強材１７ａ、１７ｂは第１の基板強度補強材１５ａ、１５ｂに１ｍｍの幅Ｗ_１５で接着し、第２の基板強度補強材１６には（Ｗ_１７−Ｗ_１５）ｘＷ_１６（つまり、１ｍｍｘ２ｍｍ）で接着している。なお、これらの寸法は１例であってこの限りでないことは言うまでも無い。

また、本実施形態のみならず、本発明における他の実施形態においても、この基板強度補強材１６はｘ−カットＬＮ基板１の基板表面に固定しても良いし、進行波電極５の接地導体５ｂに固定しても良いし、あるいは進行波電極５の厚みは２０μｍ程度と薄いため、その厚みの影響は無視できるので、ｘ−カットＬＮ基板１の基板表面と、進行波電極５の接地導体５ｂの両方に渡って固定しても良い。

図１３から図１７に示した従来技術と異なり、第１の基板強度補強材１５ａ、１５ｂ、第２の基板強度補強材１６、端面接着補強材１７ａ、１７ｂは３インチや４インチのｘ−カットＬＮ基板１の全面に固定する必要はないので、その接着の際に紫外線硬化接着剤に気泡が入る心配はない。

［第３実施形態］
以上の実施形態において示したようにＬＮ光変調器に光を入射させる際には穴のあいたガラスビーズ１１ａ、１１ｂを用い、その穴の中に単一モード光ファイバ１０ａ、１０ｂを通してｘ−カットＬＮ基板１に形成した光導波路４の端面に固定する。

ガラスビーズとｘ−カットＬＮ基板１に形成した光導波路４を含む端面との接着面積が不足する場合には、ＬＮ基板の上面に使われる端面接着補強材（本明細書の９ａ、９ｂや１７ａ、１７ｂ）の他に、光導波路４の端面においてガラスビーズとの接着面積を増加するための端面接着下部補強材をＬＮ基板の下側の一部もしくは下部全体に設置し、光導波路の端面付近を紫外線硬化接着剤などで固定しておけば良い。

ＬＮ基板の下側の一部に端面接着下部補強材１８ａ、１８ｂを用いた実施形態の１例を本発明の第３実施形態として図７に示す。１９ａ、１９ｂは紫外線硬化接着剤であり、低誘電率接着層からなる保持基台１３と端面接着下部補強材１８ａ、１８ｂも紫外線硬化接着剤１９ａ、１９ｂにより固定されている。なお、図７において、端面接着下部補強材１８ａ、１８ｂと保持基台１３とが紫外線硬化接着剤１９ａ、１９ｂで接着固定されている箇所を矢印で示している。

［第４実施形態］
なお、ｘ−カットＬＮ基板１の下部全体に、端面接着下部補強材２０を設置する場合を第４実施形態として図８に示す。端面接着下部補強材２０は端面接着補強材９ａ、９ｂの下方においてのみ保持基台１３に接着固定されている。この場合にも、ＬＮ光変調器としての機械的強度は基板強度補強材１４により極めて充分に確保されているので、図８中において紫外線硬化接着剤２１ａ、２１ｂが使用されている矢印の領域からわかるように、電気信号と光とが相互作用する相互作用部近辺において、端面接着下部補強材２０と保持基台１３とは互いに一部の領域が接着固定されていれば良く、互いに全部の領域が接着固定されている必要はない。なお、端面接着下部補強材２０は、基板強度補強材としての機能を兼ねている。

［第５実施形態］
また、図７に示した第３実施形態と図８に示した第４実施形態では、ｘ−カットＬＮ基板１の上面側の構造は図１に示した第１実施形態と同じであったが、例えば図８に示した本発明の第４実施形態において、ｘ−カットＬＮ基板１の上面に固定した基板強度補強材１４をなくした場合も本発明の実施形態となる。この場合にも、電気信号と光とが相互作用する相互作用部近辺の下方において、端面接着下部補強材２０と保持基台１３とは互いに接着固定されている必要はない。このｘ−カットＬＮ基板１の上面に固定した基板強度補強材１４をなくした場合を第５実施形態として図９に示す。

従って、第３実施形態、第４実施形態、及び第５実施形態においては、図１３から図１７に示した従来技術のように、低誘電率接着層２と保持基体３の一方の面３ａとの間に空気が入り、その後の高温試験の際に、保持基体３の一方の面３ａとの間に入った空気が熱膨張し、厚みが１０μｍ程度と薄くて機械的な強度が低いｘ−カットＬＮ基板１を破裂・破壊するという心配はない。

さらに、この場合、ｘ−カットＬＮ基板１の下側に置く端面接着下部補強材１８ａ、１８ｂ、２０の表面は略平坦でなくても良い。この場合にも、本発明では薄いＬＮ基板と低誘電率接着層からなる厚い保持基台１３の効果により電気信号の等価屈折率ｎ_ｍを低減できることは言うまでもない。なお、その際、この光変調器を固定するパッケージの表面は略平坦でも良いし、平坦でなくても良い。

以上、本発明の第１実施形態を基本として本発明の第３実施形態から第５実施形態について説明したが、本発明の第２実施形態あるいはその他の実施形態を基本として本発明のその他の実施形態を実現することも可能である。

［第６実施形態］
以上のように、本発明ではＬＮ光変調器の機械的強度を高くすることが特徴であり、図１の第１実施形態を基本形態として、ｘ−カットＬＮ基板１の上面に形成した基板強度補強材１４を低誘電率接着層からなる保持基台１３の下にさらに設ける構成としてもよい。なお、これらの実施形態以外にも各種の構成をとることができる。

図１に示した第１実施形態を変形したその他の実施形態の１例を第６実施形態として、斜視図を図１０に、Ｇ−Ｇ’における断面図を図１１に、Ｈ−Ｈ’における断面図を図１２に示す。

これらの図からわかるように、本発明の第６実施形態ではＬＮ光変調器の長さ方向の機械的な剛性を極めて大きくする基板強度補強材２３ａ、２３ｂを低誘電率接着層からなる保持基台２４の下に設けている（正確には、図１１からわかるようにこの例では保持基台２４の中に一部埋まった形とした）。また、基板強度補強材２３ａの端面は端面接着下部補強材２２ａに接着固定することにより、ＬＮ光変調器の長さ方向の剛性を極めて高くしている。

なお、図１１や図１２からわかるように、本発明では低誘電率接着層からなる保持基台２４を機械的な強度が高くなるように厚く構成しており、電気信号と光との相互作用部の下方における機械的な強度は保持基台２４によりまかなっている。

さらに、図１０から図１２に示した第６実施形態は、図１に示した第１実施形態の変形であるが、図４から図６に示した本発明の第２実施形態を変形して、保持基台１３の下に基板強度補強材を設けても良い。また、第６実施形態を含めこれらの実施形態では、保持基台の下に設けた基板強度補強材はｘ−カットＬＮ光変調器の光入射端面や光出射端面まで伸ばしても良い。

［各実施形態について］
なお、本発明の実施形態としてｘ−カットＬＮ基板１を用いて説明したが、ｚ−カットＬＮ基板を用いても良いことは言うまでもない。また、ｘ−カットＬＮ基板（あるいはｚ−カットＬＮ基板）の厚みとして１０μｍ程度を好適な例として上げたが、進行波電極５の中心導体５ａの幅や中心導体５ａと接地導体５ｂ、５ｃとのギャップ、さらにはこれらの厚みやバッファ層９の材料や厚みなどによっては、ＬＮ基板の厚みとしてその他の厚みでも良いことは言うまでもない。つまり、２０μｍ、３０μｍあるいは５０μｍなど厚くても良い。さらに、低誘電率接着層からなる保持基台１３の厚み（例えば、図２におけるＴ_１３）として、２０００μｍを例にとり説明をしたが、進行波電極の寸法に応じてさらに薄くても良いし、厚くても良いことは言うまでもない。

以上の実施形態に示したｘ−カットＬＮ光変調器ではＳｉＯ_２などのバッファ層が無いとして説明したが、もちろんバッファ層はあっても良い。バッファ層は電気信号の等価屈折率ｎ_ｍを低減する効果を有するので、ない場合と比較してｘ−カットＬＮ基板１の厚みは厚くても高速光変調を実現できることになる。バッファ層がある場合には、基板強度補強材１４や第２の基板強度補強材１６はＬＮ基板の表面や接地導体の他に、バッファ層の上に固定される場合も有り得る。

また、上方の空気の部分以外における電気信号の電気力線は、ｘ−カットＬＮ基板１と保持基台１３、２４（もしくはｚ−カットＬＮ基板、バッファ層、及び保持基台１３）の中に全て入っていても良いし、一部がそれらの下に突き抜けていても良い。

なお、進行波電極５を構成する金などの金属は光を吸収し、光の挿入損失を増加させてしまう。そのため、中心導体５ａのエッジ付近にのみバッファ層を形成し、その上方に中心導体４ａのエッジを形成しておけば光導波路４ａ、４ｂを中心導体５ａのエッジ付近に近づけることが可能となる。また、図１からわかるように、本発明においては接地導体５ｂの下に光導波路４が配置されるとともに、進行波電極５の中心導体５ａが電気信号と光の相互作用部付近において光導波路を横切るので、これらの部分にバッファ層を形成しておけば光の挿入損失を低減できることになる。

さらに、電極としてコプレーナウェーブガイド（CPW）型の進行波電極を想定したが、非対称コプレーナストリップ（ACPS）など、他の構造の進行波電極でも良いし、請求項においては、進行波電極と述べているが、本発明はもちろんキャパシタンスを低減するために集中定数型電極にも適用できる。また、基板としてＬＮ基板を想定したがリチウムタンタレートなどその他の誘電体基板、さらには半導体基板でも良い。また、本発明では低誘電接着層からなる充分に厚い保持基台を形成しているので、製作したＬＮ光変調器のチップを固定するパッケージの内部の表面は平坦であっても良いが、平坦でなくても良い。

以上のように、本発明にかかる光変調器は、従来接着層と考えられていた低誘電率接着層を厚く、また強度の強い材料を使用して保持基台とすることにより、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍを下げ、光の等価屈折率ｎ_ｏに近づけることが容易になるばかりでなく、電気信号の等価屈折率ｎ_ｍの設定にばらつきがなくなり、光変調帯域についての歩留まりが著しく向上した光変調器として有用である。

本発明の光変調器の第１実施形態の斜視図図１のＣ−Ｃ’における断面図図１のＤ−Ｄにおける断面図に対応するＬＮ光変調器モジュールの概略的な断面図本発明の第２実施形態の断面図図４のＥ−Ｅ’における断面図図４のＦ−Ｆ’における断面図に対応するＬＮ光変調器モジュールの概略的な断面図本発明の光変調器の第３実施形態の断面図本発明の光変調器の第４実施形態の断面図本発明の光変調器の第５実施形態の断面図本発明の光変調器の第６実施形態の斜視図図４のＧ−Ｇ’における断面図図４のＨ−Ｈ’における断面図に対応するＬＮ光変調器モジュールの概略的な断面図従来技術の光変調器の斜視図図１３のＡ−Ａ’における断面図図１３のＡ−Ａ’における断面図で動作原理を説明する図図１３のＢ−Ｂ’における断面図に対応するＬＮ光変調器モジュールの概略的な断面図従来技術の光変調器のより詳しい斜視図

符号の説明

１：ｘ−カットＬＮ基板
２：低誘電率接着層
３：保持基体
４：Ｔｉ熱拡散光導波路（光導波路）
４ａ、４ｂ：マッハツェンダ光導波路の２本のアーム（相互作用光導波路）
５：進行波電極
５ａ：進行波電極の中心導体
５ｂ、５ｃ：進行波電極の接地導体
６ａ、６ｂ：電気信号の電気力線
７：ＬＮ光変調器モジュールの筺体の底部の一部
８：ＬＮ光変調器チップを固定するための台座
９ａ、９ｂ：端面接着補強材
１０ａ、１０ｂ：単一モード光ファイバ
１１ａ、１１ｂ：１０ａ、１０ｂを保持するガラスビーズ
１２ａ、１２ｂ：紫外線硬化接着剤
１３：低誘電率接着層からなる保持基台
１４：基板強度補強材
１４ａ、１４ｂ：基板強度補強材の端面
１５ａ、１５ｂ：第１の基板強度補強材
１６：第２の基板強度補強材
１７ａ、１７ｂ：端面接着補強材
１８ａ、１８ｂ：端面接着下部補強材
１９ａ、１９ｂ：紫外線硬化接着剤
２０：端面接着下部補強材
２１ａ、２１ｂ：紫外線硬化接着剤
２２ａ、２２ｂ：端面接着下部補強材
２３ａ、２３ｂ：基板強度補強材
２４：低誘電率接着層からなる保持基台

Claims

電気光学効果を有する基板と、該基板に形成された光を導波するための光導波路と、前記光を変調するための電圧を印加する、前記基板の一方の面側に形成された中心導体及び接地導体からなる進行波電極と、前記基板の他方の面側で前記基板に接着して形成され、前記基板の比誘電率より低い材料からなる低誘電率接着層とを具備し、前記光導波路が、前記光を入射側光ファイバから入射するための入力光導波路と、前記中心導体と前記接地導体との間に前記電圧を印加することにより前記光の位相を変調するための相互作用光導波路と、前記相互作用光導波路において変調された結果生成された信号光を出射側光ファイバへ出射する出力光導波路からなる光変調器において、
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層を通過することにより該電気信号の等価屈折率が下がり、前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率に近づくように前記低誘電率接着層の厚みを設定するとともに、該低誘電率接着層が前記基板の破損を抑え、
前記基板の一方の面側の前記中心導体のマイクロ波入出力口および前記相互作用光導波路が形成されていない部位で前記基板の短手方向側の端に長手方向補強材（１６）が前記基板の長手方向に延設されるとともに、当該長手方向補強材が、前記基板の一方の面側の長手方向の端に前記基板の短手方向に延設された、前記長手方向補強材と同じ厚さの端面補強材（１５ａ，１５ｂ）と連結され、
さらに、前記端面補強材より幅の太い短手方向補強材（１７ａ，１７ｂ）が、前記端面補強材の上方と前記長手方向補強材の上方の一部にて、前記端面補強材と前記長手方向補強材との連結部を覆って当該両補強材に接着固定され、
前記低誘電率接着層と前記基板と前記端面補強材と前記短手方向補強材とは、いずれも前記入射側および出射側光ファイバを保持するビーズ（１１ａ，１１ｂ）と接触し接着固定可能となるよう互いに固定されており、
前記基板の長手方向における撓み強度を増加することを特徴とする光変調器。
前記相互作用光導波路の近傍を伝搬する電気信号の電気力線のうち、空気中以外に存在する電気力線が前記基板と前記低誘電率接着層のみを通過することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
前記基板の厚みが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
前記基板の前記他方の面が略平坦であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光変調器。
前記基板がｘ−カットリチウムナイオベート基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光変調器。
前記基板がｚ−カットリチウムナイオベート基板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光変調器。
前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、及び前記中心導体と前記接地導体との間のギャップを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率が近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光変調器。
前記基板の厚み、前記低誘電率接着層の比誘電率、前記中心導体の幅と厚み、前記接地導体の厚み、前記中心導体と前記接地導体との間のギャップ、及びバッファ層の厚みを、前記進行波電極を伝搬する電気信号の等価屈折率と前記光導波路を伝搬する前記光の等価屈折率とが近くなるように、それぞれの値を設定したことを特徴とする請求項１乃至４及び請求項６のいずれか１項に記載の光変調器。