JP4269546B2

JP4269546B2 - 光変調器

Info

Publication number: JP4269546B2
Application number: JP2001218039A
Authority: JP
Inventors: 昌樹杉山; 正晃大山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2021-07-18
Also published as: JP2003029223A

Description

【０００１】
【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
５ＬｉＮｂＯ₃基板
６接着層

Claims

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。