JP4269546B2 - 光変調器 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は光通信で用いられる光変調器に関する。
【0002】
【従来の技術】
LiNbO3やLiTaO2基板などの電気光学結晶を用いた光導波路デバイスは、結晶基板上の一部に金属膜を形成し熱拡散させる、あるいはパターニング後に安息香酸中でプロトン交換するなどして光導波路を形成した後、光導波路近傍に電極を設けることで形成される。
【0003】
図6はZカットLiNbO3を用いて構成されたマッハツェンダ型光変調器の従来例であり、(a)は平面図、(b)は(a)におけるA−A′断面図である。
【0004】
LiNbO3基板5上にTi膜を形成し、導波路の形状にパターニングした状態で1050℃で7〜10時間加熱し熱拡散させることによって、光導波路1が形成される。光導波路1は入射導波路1a、平行導波路1b、1c、出射導波路1dからなり、平行導波路1b、1c上に電極2が設けられる。Zカット基板を用いる場合はZ方向の電界による屈折率変化を利用するため、光導波路1の真上に電極2を配置する。
【0005】
平行導波路1b、1cの上にそれぞれ信号電極2b、接地電極2aをパターニングするが、平行導波路1b、1c中を伝搬する光が電極2によって吸収されるのを防ぐために、LN基板5と電極2の間にバッファ層4を介する。バッファ層4としては、厚さ0.2〜1μmのSiO2を用いる。
【0006】
光変調器を高速で駆動する場合は、信号電極2bと接地電極2aの終端を抵抗Rで接続して進行波電極とし、入力側からマイクロ波信号を印加する。このとき、電界によって光導波路1の屈折率が変化し、平行導波路1b、1c間の位相差が変化するため出射導波路1dから変調された信号光が出力される。
【0007】
図7は2つの信号電極2b、2cがそれぞれ光導波路1b、1cの上に配された2電極型の変調器である。信号電極2b、2cに大きさが等しく正負が逆の電界を加えることで、低電圧駆動が可能である。
【0008】
通常、このような光導波路素子では光導波路1内を通過する光の速度と信号電極を通過するマイクロ波の速度を整合させることによって、高周波応答を可能にしている。そのため、マイクロ波の実効屈折率を低減させることが必要であり、信号電極2bは電気抵抗の低いAuを用いその厚さができるだけ厚くなるように形成している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、信号電極を厚くすると外部からの力によって傾いたり剥離しやすくなり、製造歩留まりや信頼性が低下するという問題が生じる。
【0010】
特開平5−61008では1対の信号電極、接地電極からなるスロットガイドにおいて、信号電極の片側に樹脂層をつけて支持し、信頼性を向上させている。しかしながら、片側のみに樹脂をつけると信号電極に対して非対称な構造になり、温度変化などによる樹脂の膨張などによって信号電極が傾くことがある。
【0011】
コプレーナガイドのように信号電極の両側に接地電極が近接して存在する場合は、信号電極が傾くことによって両電極がショートしたり、電界分布が変化して駆動電圧が悪化するなど故障の原因となる。
【0012】
また、樹脂をつけると、マイクロ波の実効誘電率が変化して導波路中を伝搬する光との速度整合をとることが困難になったり、特性インピーダンスが変化して反射が大きくなったりする問題が発生する。
【0013】
したがって、マイクロ波特性を劣化させない範囲で電極の強度を向上させることが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【0014】
第1の手段による光変調器は、電気光学効果を有する基板と、基板に形成された光導波路と、光導波路の近傍に形成され、光導波路を伝搬する光に対する屈折率変化を生じさせる電界を印加する信号電極および接地電極と、信号電極と接地電極の一部領域においてのみ信号電極および接地電極を上部より支持し、信号電極および接地電極を補強する支持部材とを備え、支持部材は誘電体もしくは半導体であり、支持部材により支持される一部領域は、信号電極および接地電極の曲がり部であるか、または、該信号電極および該接地電極の曲がり部および外部との接続部分である、ことを特徴とする。
【0015】
第2の手段による光変調器は、電気光学効果を有する基板と、基板に形成された光導波路と、光導波路の近傍に形成された信号電極と、信号電極の近傍に形成された接地電極と信号電極と接地電極の一部領域で信号電極および接地電極を上部より支持し、信号電極および接地電極を補強する支持部材とを備え、支持部材は誘電体もしくは半導体であり、信号電極および接地電極による電界により光導波路を伝搬する光の屈折率を変化させる領域における信号電極と接地電極の間隔は、信号電極および接地電極が支持部材で支持されている部分と、信号電極および接地電極が支持部材で支持されていない部分とで異なることを特徴とする。
【0016】
第3の手段による光変調器は、電気光学効果を有する基板と、基板に形成された光導波路と、光導波路の近傍に形成された信号電極と、信号電極の近傍に形成された接地電極と、信号電極と接地電極の一部の領域で信号電極および接地電極を支持し、信号電極および接地電極を補強する支持部材とを備え、支持部材は誘電体もしくは半導体であり、信号電極および接地電極による電界により光導波路を伝搬する光の屈折率を変化させる領域における信号電極と該接地電極との間隔は、信号電極および接地電極が支持部材で支持されている部分と、信号電極および接地電極が支持部材で支持されていない部分とで異なることを特徴とする。
【0017】
第4の手段による光変調器は、電気光学効果を有する基板と、基板に形成された光導波路と、光導波路の近傍に形成され、光導波路を伝搬する光に対する屈折率変化を生じさせる電界を印加する信号電極および接地電極と、信号電極と接地電極の一部の領域で信号電極および接地電極を支持し、信号電極および接地電極を補強する支持部材とを備え、支持部材は厚さが一様で信号電極にほぼ直交する複数のガラスチップであることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下図1乃至図5により本発明の実施例について説明する。
【0019】
(実施例1)
本発明になる光導波路素子と従来の光導波路素子の構成の図6との相違点は図1に示す如く信号電極2bおよび接地電極2aの上に、感光性のアクリルやポリイミド等の光硬化性樹脂からなる誘電体層3が添設されていることにある。図1において図6と同一部材は同一番号を用い、その説明を省略する。
【0020】
図2は図1に示すA−A′断面図である。図2において図6と同一部材は同一番号を用い、
その説明を省略する。以下、実施例1の光導波路素子と信号電極の形成方法について説明する。
【0021】
例えば大きさが40mm×2mm、厚さが1mmのLiNbO3からなる板の表面を鏡面研磨して基板5とし、例えば約100nmの厚さに真空蒸着したTiを光導波路に相当する部分が残るように通常のフォトエッチング法で処理し、約1050℃で10時間加熱してTiをLiNbO3中に熱拡散させて光導波路1を形成する。
【0022】
次いでバッファ層4としてSiO2膜を500nmの厚さに真空蒸着し、その上に例えば厚さ150nmのAuを金属下地層として蒸着する。
【0023】
しかる後、信号電極2bと接地電極2aの形成領域、その領域を接続するブリッジ部分および周辺部分を残し、それ以外の部分に被着した金属下地層をフォトエッチング法によって除去する。
【0024】
その後、上記処理基板の上に所望する信号電極の厚さと同等の厚さのレジストを例えばスピンコートし、通常のフォトリソ技術によって信号電極2bおよび接地電極2aとなる領域以外の部分にレジストパターンを形成する。
【0025】
次いで、上記処理基板のレジストパターンが形成されていない金属下地層の上に、例えば前記レジストパターンの上面に一致する程度の厚さにAuをメッキし、信号電極2bおよび接地電極2aを形成する。
【0026】
しかる後、上記処理基板のレジストパターンを適当な剥離液で除去することによって、バッファ層4の上に所望する幅と厚さを有する信号電極2bおよび接地電極2aを形成することができる。
【0027】
そこで上記処理基板に感光性のアクリルやポリイミド等光硬化性樹脂をスピンコートし、通常のフォトリソ技術による露光と現像を行うことによって信号電極2bおよび接地電極2a上の所望の位置に誘電体層3を形成する。
【0028】
この場合コプレーナ電極を補強するため、誘電体及び半導体層3は信号電極2bおよび接地電極2aにかけて設ける必要がある。上記で説明した誘電体層3は信号電極及び接地電極の曲がっている部分に設ける。
【0029】
このように、信号電極及び接地電極の上の一部分に対して各電極を補強するように誘電体及び半導体層を設けることで、光導波路の内の光とマイクロ波の速度整合をとりつつ電極の補強を行なうことができる。誘電体形成後の断面は、樹脂の粘性、スピンコートの条件によって決まる。
【0030】
即ち、図2(a)のように信号電極2bと接地電極2aの間に空間ができる構成と、図2(b)のように信号電極2bと接地電極2aの間に隙間無く誘電体層が形成される構成を作ることができる。
【0031】
電極の強度は図2(b)が優れるが、マイクロ波特性を劣化させないためには図2(a)の構造が良い場合もあるので、動作周波数や要求される強度に合わせて製膜条件を決定する。実施例1は誘電体層で説明したが、これは半導体とおきかえても良い。
【0032】
(実施例2)
図3は実施例2を示す図である。図3において図6と同一部材は同一番号を用い、その説明を省略する。図3(a)は実施例2における変調器チップの平面図、図3(b)は断面図である。
【0033】
誘電体層3−1、3−2として、SiO2膜など経時変化の小さい膜を用いて、長期信頼性を向上させる。誘電体層3−1、3−2としてSiO2を用いる場合は、電極上部にTiあるいはCrの層6を製膜し、金属と誘電体との密着性をあげる。この金属と誘電体との密着性をあげる構成は他の実施例の構成にも適用可能である。
【0034】
誘電体層は電極が剥離しやすい曲がり部3−1や外部との接続部付近3−2の信号電極2bと接地電極2a上で信号電極2bと接地電極2aにかけて設け、コプレーナ電極を補強する。ここでの外部との接続部付近とは光導波路から基板端部までの間のことであるが、できるだけ基板端部に設けることが効果的である。
【0035】
実施例2は誘電体としてSiO2で説明したが、これは半導体材料と置き換えても良い。実施例2では図3(b)を用いて信号電極2bと接地電極2a間に空間を有する構成を説明しているが、図2(b)に示すように信号電極2bと接地電極2a間を誘電体又は半導体の層3で隙間無く覆っても良い。
【0036】
(実施例3)
図4は実施例3を示す図である。図4において図6と同一部材は同一番号を用い、その説明を省略する。図4(a)は実施例3における変調器チップの平面図、図4(b)は図4(a)におけるA−A′およびB−B′断面図である。
【0037】
例えば誘電体として厚さ500μmのガラスチップを所望の大きさに切り出した後、厚さが一様になるように表面に接着剤を塗布し、Auメッキ後のチップに貼り付ける。断面の形状は図4(b)のようになり、誘電体3は接着層3aとガラス3bの2層から構成される。こうしたガラスチップを信号電極2bに対してほぼ直交し、信号電極2bと接地電極2a上にまたがるように配置し、コプレーナ電極を補強する。
【0038】
また、伝搬特性に影響がないように、ガラスチップ3の幅はマイクロ波の波長に対して十分小さくする。所望の強度が得られるように、複数のガラスチップ3を適当な間隔を置いて配置する。
【0039】
ガラスチップを配置した部分は特性インピーダンスが変化して、インピーダンスの不連続による反射が生じるが、こうした反射が無視できない場合は図4(b)に示すように信号電極と接地電極の間隔が断面A−A′とB−B′で異なるようにし、インピーダンスの不整合を補償
する。
【0040】
図示はしないが、信号電極と接地電極の間隔を変えるかわりに信号電極の幅を変化させても良い。これらの誘電体及び半導体層を電極の補強として用いた場合のインピーダンスの調整構成は他の全ての実施例にも用いることができる。
【0041】
(実施例4)
図5は実施例4における2電極型変調器チップの平面図である。図5において他の図と同一部材は同一番号で示し説明は省略する。
【0042】
基板の光導波路上には2つの信号電極2b′、2b′′のそれぞれに誘電体または半導体層
3−1、3−2、3−3、3−4を信号電極と接地電極2a上で信号電極2bと接地電極2aにかけて設け、信号電極の剥離、転倒を防ぐ。
【0043】
図5では各信号電極単位で誘電体または半導体により補強をしているが、誘電体または半導体層3を共通化してもよい。具体的には誘電体または半導体層3−1と3−2をつないで一つの誘電体または半導体層3で構成してよい。図5の2電極型変調器は他の実施例の構成についても用いることができる。
【0044】
(付記1) 電気光学効果を有する基板と、
該基板の表面に形成された光導波路と、
該光導波路の近傍に形成された信号電極と、
該信号電極の近傍に形成された接地電極と
該信号電極と該接地電極の上の一部で両方の電極に接触する誘電体もしくは半導体を設けたことを特徴とする光変調器。
【0045】
(付記2) 付記1に記載の光変調器であって、
電極の信号線と接地線の両方に接触した該誘電体もしくは半導体が、1つの光変調器チップ上で複数箇所に存在することを特徴とする光変調器。
【0046】
(付記3) 該誘電体もしくは半導体が、電極のパターンのうち外部との接続部付近を補強するように設けられていることを特徴とする、付記1に記載の光変調器。
【0047】
(付記4) 付記1に記載の光変調器であって、
該信号電極のパターンに1箇所以上の曲がり部分を有し、
該曲がり部分の該電極上に該誘電体もしくは半導体を設けることを特徴とする光変調器。
【0048】
(付記5) 付記1に記載の光変調器であって、
該信号電極が複数あり、
該電極上に該誘電体もしくは該半導体はすべての該信号電極を補強するように設けたことを特徴とする光変調器。
【0049】
(付記6) 付記1に記載の光変調器であって、
該誘電体もしくは該半導体が接触している部分の該信号電極の幅が接触していない部分の幅と異なることを特徴とする光変調器。
【0050】
(付記7) 付記1に記載の光変調器であって、
該誘電体もしくは該半導体が接触している部分の信号電極と接地電極の間隔が、接触していない部分の間隔と異なることを特徴とする光変調器。
【0051】
(付記8) 付記1に記載の光変調器であって、
該誘電体は有機材料で形成されることを特徴とする光変調器。
【0052】
(付記9) 付記1に記載の光変調器であって、
該誘電体はSiO2で形成されることを特徴とする光変調器
【0053】
(付記10) 付記1に記載の光変調器であって、
該信号電極と該接地電極上面の誘電体と接する部分がTi膜またはCr膜であることを特徴とする光変調器。
【0054】
(付記11) 付記1に記載の光変調器であって、
該信号電極と該接地電極上に設けられた該誘電体もしくは該半導体が複数の層で構成され、各層が異なる材料で形成されることを特徴とする光変調器。
【0055】
(付記12) 付記1に記載の光変調器であって、
該信号電極と該接地電極の両方に接触した該誘電体もしくは該半導体が、該基板にも接触することを特徴とするもの。
【0056】
【発明の効果】
電極上に設けられた誘電体もしくは半導体層によって支持された信号電極を有する本発明の光導波路素子は、例えば信号電極と基板5の間の密着力が低下しても誘電体もしくは半導体層によって支持されており、厚い信号電極を形成しても信号電極が剥離したり傾いたりすることはなく、信号電極−接地電極の間隔を一定に保つことが可能である。
【0057】
従って、良好なマイクロ波透過特性が得られ、かつ信頼性のある信号電極を具えた光導波路素子を提供することができる。
【0058】
また、誘電体もしくは半導体を信号電極と接地電極の両方に接触させることで信号電極の剥離を防ぐとともに、信号電極と接地電極の間隔を一定に保てる。
【0059】
また、こうした誘電体もしくは半導体を複数箇所に用いることでさらに強度を大きくできる。
【0060】
また、ボンディング等によって外部と接続する際に電極が剥離することを防ぐため、電極の外部との接続部付近を誘電体もしくは半導体によって補強できる。
【0061】
また、剥離しやすい信号電極の曲がり部を誘電体もしくは半導体によって補強できる。
【0062】
また、信号電極の幅が誘電体もしくは半導体を装荷している部分としていない部分で異なるようにする事で、誘電体もしくは半導体を装荷した部分でインピーダンス不整合によるマイクロ波の反射が生じないようにする事ができる。
【0063】
また、信号電極と接地電極の間隔が誘電体もしくは半導体を装荷している部分としていない部分で異なるようにする事で、誘電体もしくは半導体を装荷した部分でインピーダンス不整合によるマイクロ波の反射が生じないようにする事できる。
【0064】
また、誘電体の材料として有機材料を用い、厚膜の製造を容易にする。
【0065】
また、誘電体の材料として、SiO2を選択する事で、信頼性を向上し、容易に形成できる。装荷する誘電体と電極の密着性を向上させるため、電極の誘電体との接触部をCrあるいはTiによって構成する。
【0066】
また、誘電体もしくは半導体を多層膜構造にし、各層の材料を選択することで密着性、強度を両立させるとともに、製造の簡易化を可能にできる。
【0067】
また、誘電体もしくは半導体をバッファ層にも接触するようにし、信号電極の強度をさらに向上させる事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明による変調器チップの構成を示す。
【図2】本願発明による変調器チップの構成を示す。
【図3】本願発明による変調器チップの構成を示す。
【図4】本願発明による変調器チップの構成を示す。
【図5】本願発明による2電極型変調器チップの構成を示す平面図である。
【図6】従来技術による変調器チップの構成を示す平面図である。
【図7】従来技術による2電極型変調器チップの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
1 光導波路
1a 入射光導波路
1b、1c 平行光導波路
1d 出射光導波路
2 電極
2a 接地電極
2b 信号電極
3、 3−1、 3−2、 3−3、 3−4、 誘電体または半導体層
4 バッファ層
5 LiNbO3基板
6 接着層
Claims (8)
- 電気光学効果を有する基板と、
該基板に形成された光導波路と、
該光導波路の近傍に形成され、該光導波路を伝搬する光に対する屈折率変化を生じさせる電界を印加する信号電極および接地電極と、
該信号電極と該接地電極の一部領域においてのみ該信号電極および該接地電極を上部より支持し、該信号電極および該接地電極を補強する支持部材とを備え、
該支持部材は誘電体もしくは半導体であり、
該支持部材により支持される該一部領域は、該信号電極および該接地電極の曲がり部であるか、または、該信号電極および該接地電極の曲がり部および外部との接続部分である、ことを特徴とする光変調器。 - 電気光学効果を有する基板と、
該基板に形成された光導波路と、
該光導波路の近傍に形成された信号電極と、
該信号電極の近傍に形成された接地電極と
該信号電極と該接地電極の一部領域で該信号電極および該接地電極を上部より支持し、該信号電極および該接地電極を補強する支持部材とを備え、
該支持部材は誘電体もしくは半導体であり、
該信号電極および該接地電極による電界により該光導波路を伝搬する光の屈折率を変化させる領域における該信号電極と該接地電極の間隔は、該信号電極および該接地電極が該支持部材で支持されている部分と、該信号電極および該接地電極が該支持部材で支持されていない部分とで異なることを特徴とする光変調器。 - 電気光学効果を有する基板と、
該基板に形成された光導波路と、
該光導波路の近傍に形成された信号電極と、
該信号電極の近傍に形成された接地電極と
該信号電極と該接地電極の一部の領域で該信号電極および該接地電極を支持し、該信号電極および該接地電極を補強する支持部材とを備え、
該支持部材は誘電体もしくは半導体であり、
該信号電極および該接地電極による電界により該光導波路を伝搬する光の屈折率を変化させる領域における該信号電極と該接地電極との間隔は、該信号電極および該接地電極が該支持部材で支持されている部分と、該信号電極および該接地電極が該支持部材で支持されていない部分とで異なることを特徴とする光変調器。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光変調器であって、該接地電極および該信号電極の上部であって該支持部材との間に密着性を高める膜を有することを特徴とする光変調器。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光変調器であって、該接地電極および該信号電極との間の領域が該支持部材により充填されていることを特徴とする光変調器。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の光変調器であって、該接地電極および該信号電極との間の領域は、該支持部材により占められていない空間であることを特徴とする光変調器。
- 電気光学効果を有する基板と、
該基板に形成された光導波路と、
該光導波路の近傍に形成され、該光導波路を伝搬する光に対する屈折率変化を生じさせる電界を印加する信号電極および接地電極と、
該信号電極と該接地電極の一部の領域で該信号電極および該接地電極を支持し、該信号電極および該接地電極を補強する支持部材とを備え、
該該支持部材は厚さが一様で該信号電極にほぼ直交する複数のガラスチップであることを特徴とする光変調器。 - 請求項7記載の光変調器であって、該複数のガラスチップの幅は、該光変調器の信号電極に印加される信号により生じたマイクロ波の波長に対して十分小さいことを特徴とする変調器。
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