JP4453894B2

JP4453894B2 - 光導波路デバイスおよび進行波形光変調器

Info

Publication number: JP4453894B2
Application number: JP2003136740A
Authority: JP
Inventors: 順悟近藤; 厚男近藤; 謙治青木; 修三冨
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP2004341147A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路デバイスおよびこれを利用した進行波形光変調器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マルチメディアの発展に伴い、通信のブロードバンド化の需要が高まり10Gｂ/sを超える光伝送システムが実用化され、さらに高速化が期待されている。10Gｂ/s以上の電気信号（マイクロ波信号）を光に変調するデバイスとしてＬＮ光変調器が使用されている。
【０００３】
光変調器の変調帯域を広帯域化するために、光導波路基板を薄くすることによりマイクロ波と光波の速度整合をとる構造が発明されている。また、光導波路基板を薄くする構造において、速度整合条件を満足するためには光導波路部周辺の基板厚みを１０μｍ程度にする必要があり、光モードフィールドパターンの偏平化を防止し、基板薄型および溝加工による表面ラフネス、ダメージの影響で発生する光の伝搬損失を抑制するために２段裏溝構造を特許文献１で出願した。さらに、２段裏溝構造の作製においては、基板を均一に薄くした後に溝構造を形成することも可能であり、この場合にデバイスの機械的強度を保持するために補強基板を設ける構造を特許文献２で出願した。
【特許文献１】
特開２００２−１０９１３３号公報
【特許文献２】
特願２００１−１０１７２９号
【０００４】
特許文献３に記載のデバイスにおいては、補強基板に空気層を設けることで速度整合条件を満たす構造になっている。また、特許文献４に記載のデバイスにおいては、光導波路が保持基体との接着面上にある。
【特許文献３】
特開平９−２１１４０２号公報
【特許文献４】
特開２００１−２３５７１４号公報
【０００５】
しかし、特許文献１、２に記載のデバイスにおいては、変調器基板の裏面側に溝を設け、この変調器基板と補強基板とを、低誘電率材料で形成される接着層により接合している。このような構造は、熱衝撃試験や温度サイクル試験などの信頼性試験で過大な負荷を加えたときに、温度ドリフトやＤＣドリフトが大きくなることがあることが判明してきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
こうした問題を解決するために、本出願人は、特許文献５において、厚さ３０μｍ以下の薄い光導波路基板の背面側に、厚さが略一定の接着層を設けて保持基体を接着することを想到した。
【特許文献５】
特願２００２−３３０３２５号
【０００７】
しかし、光導波路基板と保持基板との熱膨張差による応力が原因でDCドリフトが発生し、消光比カーブにヒステリシスが現れることがあった。図７に光導波路基板としてLN基板を使用し、熱膨張差が大きい石英ガラスを保持基板とした場合の消光比カーブを示す。１ＫＨｚ、ピーク電圧１０Ｖの正弦波信号を印加したときの光パワーには、図７に示すようなヒステリシスが現れることがあった。図６はヒステリシスのほとんどない状態を示す。
【０００８】
光変調器を駆動させる場合には、一般的に、オートバイアスコントロール回路にて光パワーの最大値と最小値の中間点（Ｖ（π／２））にバイアス点を移動して駆動する。しかし、図７のようなヒステリシス現象があると、この中間点にバイアスを移動することができなくなり、光変調器を動作させることができなくなる。
【０００９】
更に、長期DCドリフトが発生し、上記のバイアス点がドリフトし、オートバイアスコントロール回路で追随できなくなる場合があった。
【００１０】
本発明の課題は、光導波路デバイスにおいて、信号電圧を印加したときの光パワーにおけるヒステリシス現象を防止し、かつ長期DCドリフトを抑制することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光導波路基板、この光導波路基板を保持し、ニオブ酸リチウム単結晶からなる保持基体、および光導波路基板と保持基体とを接着する接着層を備えている光導波路デバイスであって、
光導波路基板が、ニオブ酸リチウム単結晶からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを備えている厚さ３０μｍ以下の平板状の基板本体、この基板本体に設けられている光導波路、および基板本体に設けられた電極を備えており、接着層によって保持基体と基板本体の他方の主面とが接着されており、接着層が保持基体および基板本体の他方の主面に対して接触しており、保持基体の接着面が平坦であり、接着層がニオブ酸リチウム単結晶の誘電率よりも低い誘電率を有しており、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤または紫外線硬化性接着剤からなり、接着層の厚さが一定でありかつ１０μｍ以上、１００μｍ以下であり、光導波路が基板本体の一方の主面側に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、厚さ３０μｍ以下の平板状の基板本体を使用し、接着層によって保持基体と基板本体とを接着した。これにより光導波路基板において応力集中個所がなくなるため、応力が分散され、光導波路基板に加わる最大応力を低減できることがわかった。更に、基板薄型加工に研磨を使用することができるため、適切な方法により加工ダメージを飛躍的に除去でき、同時に破壊強度の劣化を防止することが可能である。
【００１３】
これと共に、保持基体と光導波路基板とをニオブ酸リチウムで形成することによって、信号電圧を印加したときの光パワーにおけるヒステリシス現象を防止し、かつ長期DCドリフトを抑制することができる。
【００１４】
このような作用効果が得られた理由は明確ではない。しかし、ＮＴＴ宮沢、三冨ら「１９９４年電子情報通信学会ＳＡ−９−３」においては、歪みとDCドリフトの相関を指摘している。したがって、本構造の場合に、基板本体と光導波路基板との間の熱膨張差による内部歪みにより、DCドリフトが発生していたものと考えられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。図１は、主として第一の発明の実施形態に係る光変調器１を概略的に示す断面図である。図１においては、進行波形光変調器における光の進行方向に対して略垂直な横断面を示す。
【００１６】
光変調器１は、光導波路基板１９と保持基体２とを備えている。基板本体４、基体２は共に平板形状をしている。基板本体４の厚さは３０μｍ以下である。基板本体４の一方の主面４ａの上には所定の電極７Ａ、７Ｂ、７Ｃが形成されている。本例では、いわゆるコプレーナ型（Coplanar waveguide：ＣＰＷ電極) の電極配置を採用しているが、電極の配置形態は特に限定されない。例えばACPSタイプであってよい。本例では、隣接する電極の間に一対の光導波路５ｂ、５ｃが形成されており，各光導波路５ｂ、５ｃに対して略水平方向に信号電圧を印加するようになっている。この光導波路は、平面的に見るといわゆるマッハツェンダー型の光導波路を構成しているが、この平面的パターンそれ自体は周知である（後述）。基板本体４の他方の主面４ｄと保持基体２の接着面２ａとの間に、厚さが略一定の接着層３が介在し、基板本体４と保持基体２とを接着している。
【００１７】
本光導波路デバイス１においては、厚さ３０μｍ以下の平板状の基板本体を使用し、接着層によって保持基体と基板本体とを接着し、かつ保持基体の接着面２ａを略平坦面とした。これによって接着層３の厚さが略一定となり、光導波路基板１９において応力集中個所がなくなるため、応力が分散され、光導波路基板１９に加わる最大応力を低減できる。更に、基板本体４を厚さ３０μｍ以下に薄型加工する際に、平面研磨を使用することができるため、適切な方法により加工ダメージを飛躍的に除去でき、同時に破壊強度の劣化を防止することが可能である。
【００１８】
本発明において、基板本体４は厚さ３０μｍ以下の平板からなる。ここで言う平板とは、主面４ｄに凹部や溝が形成されていない平板を意味しており、つまり他方の主面４ｄ（接着面）は略平坦である。ただし、主面４ｄが略平坦であるとは、加工に伴い表面に残留する表面粗さは許容する趣旨であり、また、加工に伴う湾曲や反りも許容する趣旨である。
【００１９】
本発明においては、基板本体４の一方の主面４ａ側に光導波路５ｂ、５ｃを設ける。光導波路は、基板本体の一方の主面に直接形成されたリッジ型の光導波路であってよく、基板本体の一方の主面の上に他の層を介して形成されたリッジ型の光導波路であってよく、また基板本体の内部に内拡散法やイオン交換法によって形成された光導波路、例えばチタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路であってよい。具体的には、光導波路が、主面４ａから突出するリッジ型光導波路であってよい。リッジ型の光導波路は、レーザー加工、機械加工によって形成可能である。あるいは、高屈折率膜を基板本体４上に形成し、この高屈折率膜を機械加工やレーザーアブレーション加工することによって、リッジ型の三次元光導波路を形成できる。高屈折率膜は、例えば化学的気相成長法、物理的気相成長法、有機金属化学的気相成長法、スパッタリング法、液相エピタキシャル法によって形成できる。
【００２０】
光導波路基板を構成する基板本体は、ニオブ酸リチウム単結晶からなる。
【００２１】
基板本体においては、特に好ましくは結晶の分極軸が基板の一方の主面（表面）と略水平である。この場合には、ニオブ酸リチウム単結晶からなるＸ板あるいはＹ板が好ましい。
【００２２】
また、他の好適な実施形態においては、結晶の分極軸が基板の一方の主面（表面）と略垂直である。この場合には、ニオブ酸リチウム単結晶からなるＺ板が好ましい。Ｚ板を使用した場合には、光導波路は電極の直下に設ける必要があり、光の伝搬損失を低減するために、基板の表面と電極との間にはバッファ層を設けることが好ましい。
【００２３】
本発明においては、保持基体における熱膨張係数の最小値が光導波路基板における熱膨張係数の最小値の１／５倍以上であり、かつ保持基体における熱膨張係数の最大値が光導波路基板における熱膨張係数の最大値の５倍以下である。
【００２４】
基板本体を構成する各電気光学材料がニオブ酸リチウムであるので、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の熱膨張係数が１６×１０^-6／℃であり、これが最大値となる。
【００２５】
Ｚ軸方向の熱膨張係数が５×１０^-6／℃であり、これが最小値となる。
【００２６】
保持基体の材質はニオブ酸リチウム単結晶である。
【００２７】
電極は、基板本体の一方の主面側に設けられているが、基板本体の一方の主面に直接形成されていてよく、低誘電率層ないしバッファ層の上に形成されていてよい。低誘電率層は、酸化シリコン、弗化マグネシウム、窒化珪素、及びアルミナなどの公知の材料を使用することができる。ここで言う低誘電率層とは、基板本体を構成する材質の誘電率よりも低い誘電率を有する材料からなる層を言い、光とマイクロ波の速度整合条件を満たすという観点では誘電率が低い材料ほど好ましい。この低誘電率層がない場合には、基板本体の厚さは２０μｍ以下であることが更に好ましい。
【００２８】
本発明では、保持基体２の接着面２ａが平坦である。ただし、接着面２ａが平坦であるとは、加工に伴い表面に残留する表面粗さは許容する趣旨であり、また、加工に伴う湾曲や反りも許容する趣旨である。
【００２９】
本発明では、接着層３の厚さＴ１は１００μｍ以下である。接着層３の厚さＴ１の下限は、マイクロ波実効屈折率の低減という観点から、１０μｍ以上である。
さらに、速度整合の観点からは、接着層は基板本体である電気光学材料の誘電率よりも低い必要があり、誘電率５以下が好ましい。
【００３０】
図２は、本発明外の参考形態に係る光導波路デバイス１Ａを概略的に示す断面図である。図２においては、進行波形光変調器における光の進行方向に対して略垂直な横断面を示す。
【００３１】
光変調器１Ａは、光導波路基板１９と保持基体２２とを備えている。基板本体４は平板形状をしており、基板本体４の厚さは３０μｍ以下である。光導波路基板１９の構成は、図１に示した光導波路基板１９の構成と同様である。基板本体２２の接着面２２ａ側には凹部ないし溝２２ｂが形成されている。溝２２ｂは、光の進行方向（紙面に垂直な方向）へと向かって延びている。
【００３２】
本例においては、基板本体４の他方の主面４ｄと保持基体２２の接着面２２ａとの間に接着層２３が介在し、基板本体４と保持基体２２とを接着している。これと共に、光導波路５ｂ、５ｃの形成領域においては、主面４ｄ下に溝２２ｂが形成されており、溝２２ｂ内には、接着剤からなる低誘電率部分２６が充填されている。
【００３３】
本光導波路デバイス１Ａにおいては、厚さ３０μｍ以下の平板状の基板本体４を使用し、接着層２３によって保持基体２２と基板本体４とを接着し、かつ接着層２３の厚さＴ１を２００μｍ以下とした。これによって光導波路基板１９において応力の分散が促進され、光導波路基板１９に加わる最大応力を低減できる。
【００３４】
ただし、本参考形態においては、接着層２３の厚さＴ１に比べて、接着剤からなる低誘電率部分２６の厚さＴ２が大きくなっており、このために接着剤の厚さに（Ｔ２−Ｔ１）の段差が生ずる。このため、接着層の厚さが全体に略一定の場合とは異なり、段差の周辺において基板本体４へと応力の集中が生じ易い形態になる。このような応力集中によるＤＣドリフトや温度ドリフトを低減するためには、接着層２３の厚さＴ１を２００μｍ以下とすることが好ましい。この観点からは、接着層２３の厚さＴ１は２００μｍ以下であることが必要であるが、１５０μｍ以下であることが更に好ましく、１１０μｍ以下であることが最も好ましい。また、接着層３の厚さＴ１の下限は特にないが、基板本体４に加わる応力を低減するという観点からは、０．１μｍ以上であってもよい。
【００３５】
本発明においては、図１に示すように、接着層の厚さが一定である。ただし、接着層の厚さが一定とは、製造上の誤差は許容する趣旨である。
【００３６】
図３は、本発明外の参考例に係る光導波路デバイス１Ｂを概略的に示す断面図である。光変調器１Ｂは、光導波路基板１９と保持基体２２とを備えている。基板本体４は平板形状をしており、基板本体４の厚さは３０μｍ以下である。基板本体２２の接着面２２ａ側には凹部ないし溝２２ｂが形成されている。溝２２ｂは、光の進行方向（紙面に垂直な方向）へと向かって延びている。
【００３７】
本例においては、基板本体４の他方の主面４ｄと保持基体２２の接着面２２ａとの間に接着層３３Ａ、３３Ｂが介在し、基板本体４と保持基体２２とを接着している。これと共に、光導波路５ｂ、５ｃの形成領域においては、主面４ｄ下に溝２２ｂが形成されており、低誘電率部分２０が設けられている。本例の低誘電率部分２０は、接着剤３３Ａ、３３Ｂとは異質の低誘電率材料からなる。
【００３８】
図４は、光導波路デバイス１Ｃを概略的に示す断面図である。光変調器１Ｃは、光導波路基板１９と保持基体２とを備えている。基板本体４は平板形状をしており、基板本体４の厚さは３０μｍ以下である。保持基体２の接着面２ａは略平坦である。
【００３９】
本例においては、基板本体４の他方の主面４ｄと保持基体２の接着面２ａとの間に接着層３３Ａ、３３Ｂが介在し、基板本体４と保持基体２とを接着している。これと共に、光導波路５ｂ、５ｃの形成領域においては、主面４ｄ下に空気層２１が形成されている。空気層２１は低誘電率部分として機能している。
【００４０】
図５は、光導波路デバイス１Ｄを概略的に示す断面図である。光変調器１Ｄは、光導波路基板１９と保持基体２２とを備えている。基板本体４は平板形状をしており、基板本体４の厚さは３０μｍ以下である。基板本体２２の接着面２２ａ側には凹部ないし溝２２ｂが形成されている。
【００４１】
本例においては、基板本体４の他方の主面４ｄと保持基体２２の接着面２２ａとの間に接着層３３Ａ、３３Ｂが介在し、基板本体４と保持基体２２とを接着している。接着層３３Ａ、３３Ｂの厚さＴ１は２００μｍ以下である。これと共に、光導波路５ｂ、５ｃの形成領域においては、主面４ｄ下に空気層２５が形成されている。空気層２５は低誘電率部分として機能している。
【００４２】
速度整合の観点からは、低誘電率部分２０、２５、２６の厚さＴ２は１０μｍ以上であることが好ましく、３０μｍ以上であることが更に好ましい。光導波路基板への応力集中を抑制するという観点からは、低誘電率部分２０、２５、２６の厚さＴ２は０．５μｍ以下であることが好ましく、１０００μｍ以下であることが更に好ましい。
【００４３】
本発明は、いわゆる独立変調型の進行波形光変調器に対しても適用できる。
【００４４】
電極は、低抵抗でインピーダンス特性に優れる材料であれば特に限定されるものではなく、金、銀、銅などの材料から構成することができる。
【００４５】
接着剤の具体例は、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤である。
【００４６】
また、基板本体４の裏面と保持基板との間に接着剤のシートを介在させ、接合することができる。好ましくは、熱硬化性、光硬化性あるいは光増粘性の樹脂接着剤からなるシートを、基板本体４の裏面と保持基板との間に介在させ、シートを硬化させる。このようなシートとしては、以下を例示できる。
３００μｍ以下のフィルム樹脂が適当であり、具体的に日立化成製のＴ−２０００、日清紡製カルボジライトフィルム、ナガセケムテック製Ａ−１４００，Ａ−１５００、Ａ−１６００がある。
【００４７】
【実施例】
（実施例１：図１のデバイス１）
図１の光変調器１を製造する。具体的には、Ｘカットした３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ₃単結晶）からなる基板を使用し、チタン拡散プロセスとフォトリソグラフィー法とによって、ウエハーの表面にマッハツェンダー型の光導波路３を形成する。光導波路３のサイズは、例えば１／ｅ²で１０μｍとできる。次いで、メッキプロセスにより、ＣＰＷ電極を形成する。中心電極７Ｂと接地電極７Ａ、７Ｃとのギャップを４０μｍとし、電極厚みを２８μｍとし、電極長を４０ｍｍとした。次に薄型研磨のために研磨定盤に研磨ダミー基板を貼り付け、その上に変調器基板を電極面を下にして熱可塑性樹脂で貼り付ける。さらに、横型研磨およびポリッシング（ＣＭＰ）にて１０μｍ厚みまで基板本体４を薄型加工する。その後、平板状の保持基体２を基板本体４に接着固定し、光ファイバの接続部を端面研磨し、ダイシングにてチップ切断する。接着固定用の樹脂は、樹脂厚５０μｍのエポキシ樹脂フィルムを使用した。チップの幅および補強基板を含めたトータルの厚みは、それぞれ４．４ｍｍと１ｍｍとした。入力側には１．５５μｍ帯パンダファイバを保持した単芯ファイバーアレイを、出力側にはシングルモードファイバを保持した単芯ファイバアレイを進行波形光変調器チップ１に結合し、光ファイバーと光導波路とを調芯し、紫外線硬化型樹脂によって接着する。
【００４８】
本例においては、Ｘカットした３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ₃単結晶）からなる基板を使用した。このＸ軸方向、Ｙ軸方向の熱膨張係数が１６×１０^-6／℃であり、Ｚ軸方向の熱膨張係数が５×１０^-6／℃である。保持基体２の材質は、Ｘカットしたニオブ酸リチウム単結晶とした。
【００４９】
１ＫＨｚの信号に対する消光比カーブを図６に示す。この結果から分かるように、光パワーにヒステリシスが現れなかった。また、１００℃にてDCドリフト特性を評価した結果、DCバイアスのシフト量は初期印加電圧に対し５０％以内の変動であった。
【００５０】
（実施例２：図１のデバイス１）
図１と同様な構造において、保持基板２の材質をタンタル酸リチウム単結晶とした。本例においては、Ｘカットした３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ₃単結晶）からなる基板を使用した。このＸ軸方向、Ｙ軸方向の熱膨張係数が１６×１０^-6／℃であり、Ｚ軸方向の熱膨張係数が５×１０^-6／℃である。保持基体２を構成するタンタル酸リチウム単結晶のＸ軸方向、Ｙ軸方向の熱膨張係数は、１５×１０^-6／℃であり、Ｚ軸方向の熱膨張係数が１．２×１０^-6／℃である。
【００５１】
１ＫＨｚの信号に対する消光比カーブはヒステリシスが現れなかった。また、１００℃にてDCドリフト特性を評価した結果、DCバイアスのシフト量は初期印加電圧に対し５０％以内の変動であった。
【００５２】
（比較例１：図１のデバイス１）
本例においては、Ｘカットした３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ₃単結晶）からなる基板を使用した。このＸ軸方向、Ｙ軸方向の熱膨張係数が１６×１０^-6／℃であり、Ｚ軸方向の熱膨張係数が５×１０^-6／℃である。保持基体２の材質は石英ガラスとした。石英ガラスの熱膨張係数は、５０×１０^-6／℃である。
【００５３】
この結果、１ＫＨｚの信号に対する消光比カーブはヒステリシスが現れた（図７参照）。また、１００℃にてDCドリフト特性を評価した結果、DCバイアスのシフト量は初期印加電圧に対し５０％以上の変動であった。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、光導波路デバイスにおいて、信号電圧を印加したときの光パワーにおけるヒステリシス現象を防止し、かつ長期DCドリフトを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るデバイス１を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明外の参考形態に係るデバイス１Ａを概略的に示す断面図である。
【図３】本発明外の参考形態に係るデバイス１Ｂを概略的に示す断面図である。
【図４】本発明外の参考形態に係るデバイス１Ｃを概略的に示す断面図である。
【図５】本発明外の参考形態に係るデバイス１Ｄを概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施例のデバイスにおける光パワーと電圧との関係を示すグラフである。
【図７】比較例のデバイスにおける光パワーと電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ光導波路デバイス（光変調素子）２接着面が平坦な保持基体２ａ保持基体２の接着面３接着層４基板本体４ａ基板本体の一方の主面４ｃ基板本体の端面４ｄ基板本体の他方の主面５三次元光導波路５ｂ、５ｃ一対の分岐光導波路１９光導波路基板２２凹部２２ｂが設けられた保持基体２２ｂ保持基体２２の凹部２０、２６低誘電率材料２１、２５空気層Ｔ１接着層の厚さＴ２低誘電率部分の厚さｔ基板本体４の厚さ

Claims

光導波路基板、この光導波路基板を保持し、ニオブ酸リチウム単結晶からなる保持基体、および前記光導波路基板と前記保持基体とを接着する接着層を備えている光導波路デバイスであって、
前記光導波路基板が、ニオブ酸リチウム単結晶からなり、相対向する一方の主面と他方の主面とを備えている厚さ３０μｍ以下の平板状の基板本体、この基板本体に設けられている光導波路、および前記基板本体に設けられた電極を備えており、前記接着層によって前記保持基体と前記基板本体の前記他方の主面とが接着されており、前記接着層が前記保持基体および前記基板本体の前記他方の主面に対して接触しており、前記保持基体の接着面が平坦であり、前記接着層がニオブ酸リチウム単結晶の誘電率よりも低い誘電率を有しており、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤または紫外線硬化性接着剤からなり、前記接着層の厚さが一定でありかつ１０μｍ以上、１００μｍ以下であり、前記光導波路が前記基板本体の前記一方の主面側に設けられていることを特徴とする、光導波路デバイス。
請求項１記載の光導波路デバイスを備えている進行波形光変調器であって、前記光導波路中を伝搬する光を変調するための電圧を前記電極によって印加することを特徴とする、進行波形光変調器。